KR20220003372A - Photocatalytic Filters Having Physical Entrapment of Pollutants and Method for Purifying Gaseous Medium Using the Same - Google Patents

Photocatalytic Filters Having Physical Entrapment of Pollutants and Method for Purifying Gaseous Medium Using the Same Download PDF

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Abstract

According to the present disclosure, disclosed are an alveoli-simulating photocatalytic filter having a physical trapping structure in the form of an air pocket that is effective against contaminants in gaseous media such as the air, indoor air and the like, and a method for removing contaminants from gaseous media using the same.

Description

오염물의 물리적 포획 구조를 갖는 광 촉매 필터 및 이를 이용하여 가스 상 매질의 정화 방법{Photocatalytic Filters Having Physical Entrapment of Pollutants and Method for Purifying Gaseous Medium Using the Same}Photocatalytic Filters Having Physical Entrapment of Pollutants and Method for Purifying Gaseous Medium Using the Same

본 개시 내용은 오염물의 물리적 포획 구조를 갖는 광 촉매 필터 및 이를 이용한 가스 상 매질의 정화 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 흡착제를 사용하지 않으면서, 대기, 실내 공기 등과 같은 가스 상 매질 내 오염물에 대하여 효과적인 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 구비한 폐포(alveoli) 모사 광 촉매 필터, 및 이를 이용하여 가스 상 매질 내 오염물을 제거하는 방법에 관한 것이다. The present disclosure relates to a photocatalytic filter having a physical trapping structure of contaminants and a method for purifying a gaseous medium using the same. More specifically, the present disclosure relates to an alveoli-simulating photocatalytic filter having a physical trapping structure in the form of an air pocket that is effective against contaminants in a gaseous medium such as air, indoor air, etc. without using an adsorbent, and the same It relates to a method for removing contaminants in a gaseous medium using

인간 생활에 있어서 쾌적한 환경을 요구하는 환경권의 대두 및 이를 뒷받침하고자 하는 정책 또는 제도적 규제 강화로 인하여 환경오염에 대한 효과적인 제어가 도시화 및 산업화 사회에서 중대한 문제로 등장하고 있다. 도시화 및 산업화로 인한 대규모 공업 지역의 형성 및 대도시의 형성은 각종 대기 오염 물질, 예를 들면 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 탄화수소류(예를 들면, 단환 또는 다환 방향족 탄화수소류), 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds; VOCs) 등의 대기 오염물의 증가를 초래하고 있다. Effective control of environmental pollution is emerging as a serious problem in urbanized and industrialized societies due to the rise of environmental rights that require a pleasant environment in human life and the reinforcement of policies or institutional regulations to support it. The formation of large-scale industrial areas and the formation of large cities due to urbanization and industrialization are caused by various air pollutants, such as nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), hydrocarbons (eg monocyclic or polycyclic aromatic hydrocarbons); It is causing an increase in air pollutants such as volatile organic compounds (VOCs).

이러한 대기 오염의 원인 물질이면서 다양한 산업 및 서비스 시설에서 발생하는 VOC는 대기 중 이동성이 강하고 악취를 유발할 뿐 아니라 마취성이 강한 것으로 알려져 있고, 신경계에 독성 물질로 작용한다. 또한, 벤젠 및 톨루엔을 비롯한 방향족 유기화합물(aromatic hydrocarbons) 등의 오염물은 발암성을 갖고 있다. 이외에도, VOC는 성층권의 오존층을 파괴하여 지구 온난화를 가속시키는 요인으로 작용한다.VOC, which is a causative material of air pollution and generated in various industrial and service facilities, is known to have strong mobility in the air, cause odor, and have strong anesthesia, and act as a toxic substance to the nervous system. In addition, contaminants such as aromatic hydrocarbons including benzene and toluene have carcinogenicity. In addition, VOC acts as a factor that accelerates global warming by depleting the ozone layer in the stratosphere.

이처럼, VOC는 그 자체만으로도 유해할 뿐만 아니라, 대기 중에서 광화학 반응을 통하여 광화학 산화제를 생성하여 2차 오염을 일으키는 전구체로 작용함으로써 오존, 알데히드, PAN(p-oxyacethlnitrate) 등과 같은 유해 2차 대기오염 물질을 생성하기 때문에 VOCs의 제어는 대기 환경 보전에 있어서 중요한 연구 분야로 자리매김하고 있으며, 세계 각국에서는 VOC의 배출 저감을 위하여 강화된 정책적 수단을 부가하고 있다. 예를 들면, 미국 환경청(U.S. Environmental Protection Agency, EPA)은 유해 대기 오염물질로서 189개의 화합물을 지정하고 있는데, 이 중 97개가 VOC 계열이다. 이러한 대기 오염 물질은 저 농도로 존재하는 경우에도 실내에서 대부분의 시간을 생활하는 사람들에게 실내 환경에 대한 불만족 요소로 작용하며, 건강에도 직접적으로 유해한 영향을 미치게 된다. 또한, VOC를 비롯하여 각종 산업체, 하수, 농축산 폐수, 분뇨처리장 등에서 발생하는 악취 가스로 인하여 인접 지역의 민원 역시 증가하는 추세에 있다. 따라서, 대기 중 오염물을 제거하기 위한 다각적인 연구가 활발히 진행되고 있다.As such, VOC is not only harmful by itself, but also creates a photochemical oxidizer through a photochemical reaction in the atmosphere and acts as a precursor to cause secondary pollution, so harmful secondary air pollutants such as ozone, aldehyde, PAN (p-oxyacethlnitrate), etc. VOCs control is positioned as an important research field in air environment conservation, and countries around the world are adding strengthened policy measures to reduce VOC emissions. For example, the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) has designated 189 compounds as hazardous air pollutants, of which 97 are of the VOC family. Even when these air pollutants are present in low concentrations, they act as dissatisfaction factors for the indoor environment for people who spend most of their time indoors, and have a direct adverse effect on health. In addition, civil complaints in adjacent areas are also on the rise due to odorous gases generated from VOC, various industries, sewage, livestock wastewater, and manure treatment plants. Therefore, various studies for removing air pollutants are being actively conducted.

현재, VOC 등의 대기 중 오염물의 제어 기술로서 열 소각, 흡착, 촉매 연소, 바이오 필터, 흡착, 광 촉매를 이용한 산화 등의 다양한 방식이 개발된 바 있다. Currently, various methods such as thermal incineration, adsorption, catalytic combustion, biofilter, adsorption, and oxidation using a photocatalyst have been developed as a control technology for air pollutants such as VOC.

전술한 방식 중 UV/TiO2와 같은 광 촉매를 이용하여 VOC를 산화 제거하는 방식이 친환경 특성 등으로 인하여 관심을 받고 있다. 광촉매 설계에 있어서 고려되어야 하는 요소로서, (i) 전자-정공 쌍을 형성할 수 있고 이의 재결합을 억제해야 하는 점, 그리고 (ii) VOC 분자가 촉매 표면에 물리적으로 접근할 수 있어야 한다는 점을 들 수 있다.Among the above-described methods, a method of oxidizing and removing VOCs using a photocatalyst such as UV/TiO 2 is attracting attention due to its eco-friendly characteristics and the like. Factors to be considered in the photocatalyst design are (i) that electron-hole pairs can be formed and their recombination must be inhibited, and (ii) that VOC molecules must have physical access to the catalyst surface. can

요건 (i)의 경우, 유기 분자를 산화시키는 반응성 산소 종(ROS)의 형성과 관련성이 있으며, 밴드갭 에너지, 밴드 엣지 위치, 광 흡수, 및 파셋(facet) 구조에 의하여 결정된다. 그러나, 단일의 비개질 촉매(TiO2, ZnO, MnO2, Fe2O3, CuO 등)은 이러한 요건을 충족하기 곤란하며, 특히 가스 상의 광 촉매 반응에서는 효과적으로 작용하지 않는다. 따라서, 2 이상의 반도체(예를 들면, Bi2O3 및 TiO2)를 커플링하는 방안이 제시되었는데, p-n 접합의 형성으로 인하여 복합체 형태로 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 불충분한 ROS 생성 및 전하 캐리어의 재결합으로 인하여, 여전히 광 전환 반응 손실을 유발할 수 있다.For requirement (i), it relates to the formation of reactive oxygen species (ROS) that oxidize organic molecules and is determined by bandgap energy, band edge position, light absorption, and facet structure. However, a single unmodified catalyst (TiO 2 , ZnO, MnO 2 , Fe 2 O 3 , CuO, etc.) is difficult to meet these requirements, and does not work effectively, especially in gas phase photocatalytic reactions. Accordingly, a method of coupling two or more semiconductors (eg, Bi 2 O 3 and TiO 2 ) has been proposed, and catalytic activity can be increased in the form of a complex due to the formation of a pn junction. However, due to insufficient ROS generation and recombination of charge carriers, it can still cause loss of photoconversion reaction.

요건 (ii)의 경우, 최적화된 흡착 후, 가스 상 화합물이 촉매의 활성 점으로 이동하는 것이 광화학 반응을 개시하는데 필수적인 요소이다. 그러나, 앞서 언급된 무기 금속 산화물은 촉매 층 형태로 적용되나, 낮은 흡착능으로 인하여 바람직하지 않다. 이 때문에 촉매 구조 내로 강한 유기물의 흡착제를 통합시켜 물질 이동을 촉진하고자 하는 시도가 이루어졌다. 이와 관련하여, 유기 흡착제 지지체는 공기로부터 촉매 층으로 가스 상의 오염물이 용이하게 이동하는데 효과적이기는 하나, VOC 및 흡착제 모두 유기물이므로 지지체 상에 잔류하게 되어, 촉매 표면으로 오염물을 전달하는데 비효율적이다. 또한, 하이브리드 촉매/흡착제 복합체는 계면 접촉을 극대화하여 흡착제와 촉매 사이의 물질 이동을 개선할 수 있으며, 특히 낮은 VOC 농도에서 양호한 촉매 성능을 나타낼 수 있다. 그러나, 고농도에서는 과도한 VOC의 물질 이동으로 인하여 촉매 활성점을 폐색시킬 수 있다. 따라서, 종래기술의 문제점, 특히 저농도 및 고농도 모두에서 양호한 광 촉매 성능을 나타낼 수 있는 방안이 요구된다. For requirement (ii), after optimized adsorption, the migration of gaseous compounds to the active site of the catalyst is an essential element for initiating the photochemical reaction. However, the aforementioned inorganic metal oxide is applied in the form of a catalyst layer, but is not preferred due to its low adsorption capacity. For this reason, attempts have been made to promote mass transfer by incorporating strong organic adsorbents into the catalyst structure. In this regard, although the organic adsorbent support is effective in facilitating the transfer of gaseous contaminants from air to the catalyst bed, both the VOC and the adsorbent are organic and thus remain on the support, which is inefficient in transferring contaminants to the catalyst surface. In addition, the hybrid catalyst/adsorbent composite can improve mass transfer between the adsorbent and the catalyst by maximizing interfacial contact, and can exhibit good catalyst performance, especially at low VOC concentrations. However, at a high concentration, the catalyst active site may be blocked due to mass movement of excessive VOCs. Accordingly, there is a need for a method capable of exhibiting good photocatalytic performance at both low and high concentrations, particularly problems of the prior art.

본 개시 내용의 일 구체예에서는 종래의 대기 오염 물질 제거용 광 촉매가 갖는 문제점을 해결하고, 특히 저농도뿐만 아니라, 고농도 조건 하에서도 대기 오염물을 효과적으로 광 산화 제거할 수 있는 촉매를 제공하고자 한다.An embodiment of the present disclosure solves the problems of the conventional photocatalyst for removing air pollutants, and in particular, provides a catalyst capable of effectively photooxidizing and removing air pollutants under high concentration conditions as well as low concentration conditions.

본 개시 내용의 다른 구체예에서는 상술한 촉매를 이용하여 대기(실내) 중 오염물, 특히 VOC와 같은 유기계 오염물을 효과적으로 제거하여 정화할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.In another embodiment of the present disclosure, an object of the present disclosure is to provide a method capable of effectively removing and purifying pollutants in the atmosphere (indoor), particularly organic pollutants such as VOCs, using the above-described catalyst.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to the first aspect of the present disclosure,

스트랜드 형태의 기재;substrates in the form of strands;

상기 스트랜드 형태의 기재의 길이 방향을 따라 이의 표면에 방사형으로 형성된 나노로드 어레이; 및a nanorod array radially formed on the surface of the strand-shaped substrate in the longitudinal direction; and

상기 나노로드 어레이 상에 형성된 다공성의 제1 광 촉매 층;a porous first photocatalyst layer formed on the nanorod array;

을 포함하며,includes,

여기서, 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매층이 피복됨에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 형성하는 광 촉매 필터가 제공된다.Here, as the porous first photocatalyst layer is coated on the nanorod array, there is provided a photocatalytic filter that forms a physical trapping structure in the form of an air pocket.

예시적 구체예에 따르면, 상기 다공성의 제1 광촉매 층은 NiMoO4, NiCo2O4, NiCo2S4, CdS, Bi2WO6, SnO2, ZrO2, Fe2O3, 및 WSe2로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 재질일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the porous first photocatalyst layer is made of NiMoO 4 , NiCo 2 O 4 , NiCo 2 S 4 , CdS, Bi 2 WO 6 , SnO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , and WSe 2 . It may be a material selected from the group consisting of at least one.

예시적 구체예에 따르면, 상기 광 촉매 필터는 상기 다공성의 제1 광촉매 층에 피복된 박막 시트 형태의 제2 광촉매 층을 더 구비하며, 이때 상기 제2 광촉매 층은 질화탄소(C3N4), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 그래핀 산화물(graphene oxide), 탄소 양자점(carbon quantum dots), 염화은(AgCl), 브롬화은(AgBr), 셀레늄화아연(ZnSe), 산화세륨(CeO2), 및 황화카드뮴(CdS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the photocatalytic filter further includes a second photocatalyst layer in the form of a thin film sheet coated on the porous first photocatalyst layer, wherein the second photocatalyst layer is carbon nitride (C 3 N 4 ) , silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), graphene oxide, carbon quantum dots, silver chloride (AgCl), silver bromide (AgBr), zinc selenide (ZnSe), cerium oxide (CeO) 2 ), and may include at least one selected from the group consisting of cadmium sulfide (CdS).

본 개시 내용의 제2 면에 따르면, According to a second aspect of the present disclosure,

a) 스트랜드 형태의 기재를 제공하는 단계;a) providing a substrate in the form of strands;

b) 나노로드 형성용 전구체 용액을 상기 스트랜드 형태의 기재와 접촉시켜 이의 길이 방향을 따라 나노로드 어레이를 방사형으로 형성시키는 단계; 및b) contacting the precursor solution for forming nanorods with the substrate in the form of strands to radially form a nanorod array along the length direction thereof; and

c) 광 촉매 전구체 용액을 나노로드 어레이와 접촉시켜 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매 층을 형성하는 단계;c) contacting the photocatalyst precursor solution with the nanorod array to form a porous first photocatalyst layer on the nanorod array;

를 포함하며,includes,

여기서, 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매층이 피복됨에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 형성하는 광 촉매 필터의 제조 방법이 제공된다.Herein, there is provided a method of manufacturing a photocatalytic filter in which a porous first photocatalyst layer is coated on the nanorod array to form a physical trapping structure in the form of an air pocket.

예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 b)는,According to an exemplary embodiment, the step b),

b1) 상기 스트랜드 형태의 기재 상에 상기 나노로드의 시드 층을 형성하는 단계; 및 b1) forming a seed layer of the nanorods on the strand-shaped substrate; and

b2) 상기 시드 층이 형성된 기재에 상기 나노로드 형성용 전구체 용액을 접촉시켜 수열 합성 반응을 수행하는 단계;b2) performing a hydrothermal synthesis reaction by contacting the precursor solution for forming the nanorods to the substrate on which the seed layer is formed;

를 포함할 수 있다. may include

본 개시 내용의 제3 면에 따르면,According to a third aspect of the present disclosure,

가스 상 매질 내 오염물의 제거 방법으로서,A method for removing contaminants in a gaseous medium comprising:

광 촉매 필터를 제공하는 단계; 및providing a photocatalytic filter; and

오염물이 함유된 가스를 자외선 조사 하에서 상기 광 촉매 필터와 접촉시켜 가스 상 매질 내 오염물을 산화 제거하는 단계를 포함하며, oxidizing and removing the contaminants in the gaseous medium by contacting the contaminant-containing gas with the photocatalytic filter under ultraviolet irradiation,

여기서, 상기 광 촉매 필터는, Here, the photocatalytic filter,

스트랜드 형태의 기재;substrates in the form of strands;

상기 스트랜드 형태의 기재의 길이 방향을 따라 이의 표면에 방사형으로 형성된 나노로드 어레이; 및a nanorod array radially formed on the surface of the strand-shaped substrate in the longitudinal direction; and

상기 나노로드 어레이 상에 형성된 다공성의 제1 광 촉매 층;a porous first photocatalyst layer formed on the nanorod array;

을 포함하며,includes,

여기서, 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매층이 피복됨에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 형성하는 방법이 제공된다. Here, there is provided a method of forming a physical trapping structure in the form of an air pocket as the porous first photocatalyst layer is coated on the nanorod array.

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 종래에 흡착제를 이용하여 오염물(특히, 대기 및 실내 공기와 같은 가스 상 매질 내에 함유된 VOC 등의 유기 오염물)을 촉매 표면으로 전달하여 광 촉매 반응을 수행하는 방식에서 고농도의 오염물 제거에 한계가 있는 점을 극복하기 위하여, 광 촉매 필터 내부에 에어 필터 형태의 물리적 포획 구조를 구비하여 가스 상 매질로부터 오염물의 분자를 흡착/포획한 다음, 서서히 또는 조절 가능한 방식으로 광 촉매 표면으로 방출함으로써 저농도의 오염 물질뿐만 아니라, 고농도의 오염물질에 대하여도 우수한 분해 효율을 나타낼 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, conventionally, a photocatalytic reaction is performed by transferring contaminants (especially organic contaminants such as VOCs contained in gaseous media such as atmospheric and indoor air) to the catalyst surface using an adsorbent. In order to overcome the limitation in removing high concentrations of contaminants in By emitting to the photocatalyst surface, excellent decomposition efficiency can be exhibited for not only low concentration pollutants but also high concentration pollutants.

더 나아가, 상술한 광 촉매 필터는 자외선을 적용하고 있는 기존의 시설에 특별한 변경을 요하지 않으면서 광 촉매만을 대체하거나 추가함으로써 현장에서 즉시 적용할 수 있고, 또한 반복 사용(또는 재사용) 시에도 양호한 분해능을 제공할 수 있다. 따라서, 향후 광범위한 상용화가 기대된다. Furthermore, the above-described photocatalytic filter can be applied immediately in the field by replacing or adding only a photocatalyst without requiring special changes to the existing facility that applies ultraviolet rays, and also has good resolution even when repeatedly used (or reused) can provide Therefore, widespread commercialization is expected in the future.

도 1은 예시적 구체예에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 구비한 광 촉매 필터의 개략적인 구조 및 SEM 사진을 나타내고;
도 2는 실시예에 따른 광 촉매 필터의 제조방법을 단계 별로 도시한 도면이고;
도 3은, (a, b) 베어(bare) 스테인리스 스틸 메쉬(SSM)의 SEM 사진, (c, d, e) SSM 상에서 성장된 ZnO 나노로드의 SEM 사진, (f) ZnO 나노로드의 TEM 사진, (g, h) SSM 상의 ZnO/NiMoO4 촉매의 SEM 사진(NiMoO4는 2회의 부착 사이클에 의하여 성장됨), (i) 0.1 M NaOH에 의하여 개질되고, ZN@SSM 상에 부착된 C3N4의 SEM 사진, (j-o) 원소 분석 및 공간 분포 분석을 위한 ZNC@SSM의 EDS 멥핑이고;
도 4는, (a, b) 시드 층의 부존재 하에서 SSM 상에 형성된 ZnO 나노로드의 SEM 사진, (c) NiMoO4 나노 플레이트의 TEM 사진, (d, e) 단일 및 2회의 부착 사이클에 의하여 성장된 NiMoO4 층 각각의 SEM 사진, (f, g) ZN@SSM 상에 부착된 고유(intrinsic) 및 개질된 C3N4(0.2 M NaOH)의 SEM 사진, (h) m-C3N4(0.1 M NaOH)의 박막 시트의 TEM 사진이고;
도 5는, (a) 촉매의 XRD 스펙트럼, (b, c) 시드 층의 존재 또는 부존재 하에서 각각 형성된 ZnO 나노로드의 수직 및 랜덤 성장을 보여주는 도면, (d, e) SSM 상에서 형성된, 2가지 타입의 ZnO 나노로드 팁(tip), (f, g) SSM 및 Z@SSM 상에서 성장된 NiMoO4 촉매의 상이한 형태학적 특징을 보여주는 도면이고;
도 6은, (a-e) 원소 산화 상태를 결정하기 위한 촉매의 XPS 스펙트럼, (f) 촉매의 UV-vis 흡수 스펙트럼, (g) 촉매의 밴드갭을 결정하기 위한 Tauq 플롯, (h) 촉매의 밴드 갭 및 밴드 엣지 위치이고;
도 7은, (a, b) 촉매의 톨루엔 흡착 패턴 및 메커니즘, (c, d) 촉매의 톨루엔 탈착 패턴 및 메커니즘을 보여주는 도면이고;
도 8은 톨루엔 분해 반응에 사용된 광촉매 글라스 반응기를 보여주는 사진이고;
도 9는, (a) 촉매에 의하여 나타난 광촉매 톨루엔 분해 실험 결과를 나타내는 그래프, (b) C3N4 타입이 톨루엔 분해 반응에 미치는 영향을 보여주는 그래프, (c) C3N4 부착 전 꽃잎(petals) 형상의 NiMoO4의 SEM 사진, (d, e, f) 고유의, 0.1 M NaOH 및 0.2 M NaOH 처리된 C3N4가 부착된 꽃잎 형상의 NiMoO4의 SEM 사진, (g, h, I) 고유의, 0.1 M NaOH 및 0.2 M NaOH 처리된 C3N4 각각의 TEM 사진이고;
도 10은 상이한 유입 가스 농도에서의 광분해 및 흡착에 의한 톨루엔 제거율을 나타내는 그래프이고;
도 11은, (a, b, c) 1회, 2회 및 3회 부착 사이클 각각에 의하여 제조된 NiMoO4의 SEM 사진, (d, e, f) NiMoO4 부착 사이클이 에어 포켓 내 분자 확산에 미치는 영향을 보여주는 도면이고;
도 12는, (a) 온도 조절이 ZNC@SSM에 의한 톨루엔 분해에 미치는 영향을 보여주는 그래프, (b) 상대습도(%)가 ZNC@SSM에 의한 톨루엔 분해에 미치는 영향을 보여주는 그래프, (c) 스캐빈저에 대한 톨루엔 분해 억제 효과를 보여주는 그래프, (d) 톨루엔 분해용 촉매 활성점 및 전위를 보여주는 도면이고;
도 13은 에어 필터의 재사용 및 세척이 톨루엔 분해에 미치는 영향을 나타내는 그래프이고;
도 14는, (a) 10회의 분해 사이클 전후에서의 ZNC@SSM의 SEM 사진, (b) 재사용 테스트 후 복합체의 결정 완결성을 보여주는 XRD 스펙트럼, (c-f) 10회의 분해 사이클 전후에서 ZNC@SSM의 XPS 스펙트럼이고; 그리고
도 15는 낮은 상대 습도 및 높은 상대 습도 조건 하에서의 톨루엔 분해 경로를 보여주는 도면이다.
1 shows a schematic structure and an SEM photograph of a photocatalytic filter having a physical trapping structure in the form of an air pocket according to an exemplary embodiment;
2 is a view showing a method of manufacturing a photocatalytic filter according to an embodiment step by step;
3 is, (a, b) SEM pictures of bare stainless steel mesh (SSM), (c, d, e) SEM pictures of ZnO nanorods grown on SSM, (f) TEM pictures of ZnO nanorods , (g, h) SEM pictures of ZnO/NiMoO 4 catalyst on SSM (NiMoO 4 grown by two adhesion cycles), (i) C 3 modified with 0.1 M NaOH and attached on ZN@SSM SEM picture of N 4 , (jo) EDS mapping of ZNC@SSM for elemental analysis and spatial distribution analysis;
4 shows (a, b) SEM photos of ZnO nanorods formed on SSM in the absence of a seed layer, (c) TEM photos of NiMoO 4 nanoplates, (d, e) growth by single and two attachment cycles. SEM pictures of each NiMoO 4 layer, (f, g) SEM pictures of intrinsic and modified C 3 N 4 (0.2 M NaOH) attached to ZN@SSM, (h) mC 3 N 4 (0.1 M NaOH) is a TEM picture of a thin sheet;
Figure 5 is (a) XRD spectrum of the catalyst, (b, c) a view showing vertical and random growth of ZnO nanorods formed respectively in the presence or absence of a seed layer, (d, e) two types, formed on SSM; ZnO nanorod tips of (f, g) are diagrams showing the different morphological characteristics of NiMoO 4 catalysts grown on SSM and Z@SSM;
Figure 6 is (ae) XPS spectrum of the catalyst to determine the elemental oxidation state, (f) UV-vis absorption spectrum of the catalyst, (g) Tauq plot for determining the bandgap of the catalyst, (h) the band of the catalyst gap and band edge locations;
7 is a diagram showing (a, b) a toluene adsorption pattern and mechanism of the catalyst, (c, d) a toluene desorption pattern and mechanism of the catalyst;
8 is a photograph showing a photocatalytic glass reactor used for a toluene decomposition reaction;
9 is, (a) a graph showing the photocatalytic toluene decomposition test results shown by the catalyst, (b) a graph showing the effect of the C 3 N 4 type on the toluene decomposition reaction, (c) C 3 N 4 petals before attachment ( petals) SEM photograph of NiMoO 4 , (d, e, f) SEM photograph of petal-shaped NiMoO 4 with C 3 N 4 attached with native, 0.1 M NaOH and 0.2 M NaOH treatment, (g, h, I) TEM images of native, 0.1 M NaOH and 0.2 M NaOH treated C 3 N 4 , respectively;
10 is a graph showing toluene removal rates by photolysis and adsorption at different inlet gas concentrations;
11 is a SEM photograph of NiMoO 4 prepared by (a, b, c) 1, 2 and 3 adhesion cycles, respectively, (d, e, f) NiMoO 4 adhesion cycle on molecular diffusion in the air pocket It is a drawing showing the impact;
12 is, (a) a graph showing the effect of temperature control on toluene decomposition by ZNC@SSM, (b) a graph showing the effect of relative humidity (%) on toluene decomposition by ZNC@SSM, (c) A graph showing the toluene decomposition inhibitory effect on the scavenger, (d) a diagram showing the catalyst active point and potential for toluene decomposition;
13 is a graph showing the effect of reuse and washing of an air filter on toluene decomposition;
14 shows (a) SEM pictures of ZNC@SSM before and after 10 disintegration cycles, (b) XRD spectrum showing crystal integrity of the composite after reuse test, (cf) XPS of ZNC@SSM before and after 10 disintegration cycles. is the spectrum; and
15 is a diagram showing a toluene decomposition path under conditions of low relative humidity and high relative humidity.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. It is to be understood that the following description describes preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are provided to aid understanding, and the present invention is not limited thereto, and details regarding individual configurations may be properly understood by the specific purpose of the related description to be described later.

"휘발성 유기 화합물(VOC)"는 전형적으로 상온 및 상압 조건 하에서 약 50 내지 260℃의 비점을 갖는 유기 화합물로 정의될 수 있다.A “volatile organic compound (VOC)” can be defined as an organic compound having a boiling point of about 50 to 260°C, typically under ambient temperature and pressure conditions.

"광 촉매"는 광의 존재 하에서 반응을 촉진하되, 전체 반응에서는 소비되지 않는 불균일 촉매, 구체적으로 고상의 촉매를 의미할 수 있다. 전형적으로, 광 촉매는 (i) 광 활성을 갖고, (ii) 근-자외선(near-UV light)을 이용하며, (iii) 생물학적 및 화학적으로 비활성이고, (iv) 광-안정성을 나타내고, 그리고 (v) 비독성을 나타내는 특성을 가질 수 있다."Photocatalyst" may mean a heterogeneous catalyst, specifically a solid-phase catalyst, that promotes a reaction in the presence of light but is not consumed in the overall reaction. Typically, a photocatalyst is (i) photoactive, (ii) utilizing near-UV light, (iii) biologically and chemically inert, (iv) photo-stable, and (v) may have properties that indicate non-toxicity.

"기재"는 그 위에 부착(고정) 또는 코팅(도포) 가능한 표면을 제공하는 구조 또는 구조물을 의미할 수 있으며, 1차원, 2차원 또는 3차원 형상을 가질 수 있다.“Substrate” may mean a structure or structure that provides a surface capable of being attached (fixed) or coated (applied) thereon, and may have a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional shape.

"나노구조물" 또는 "나노구조체"는 나노 스케일(예를 들면, 약 0.1 내지 1,000 nm, 구체적으로는 1 내지 100 nm)의 치수 또는 사이즈를 갖는 특징부(feature) 또는 텍스츄어(texture), 예를 들면 나노필라, 나노로드, 나노 벽(wall), 나노와이어, 나노 웹 등을 구비하는 임의의 나노 스케일의 객체를 의미할 수 있다.A “nanostructure” or “nanostructure” refers to a feature or texture having a dimension or size on the nanoscale (e.g., about 0.1 to 1,000 nm, specifically 1 to 100 nm), e.g. For example, it may mean an arbitrary nanoscale object including nanopillars, nanorods, nanowalls, nanowires, nanowebs, and the like.

"나노로드"는 직경이 약 1,000nm 이하, 예를 들면 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위인 막대 형상을 의미할 수 있다.“Nanorods” may refer to rods having a diameter of about 1,000 nm or less, for example, in the range of several nanometers to several hundreds of nanometers.

"어레이(array)"는 지지체, 부재(member) 또는 백킹 부재(backing member)로부터 도출되거나 이에 부착(고정)된, 섬유, 컬럼, 로드, 필라, 루프, 튜브, 콘, 블록, 큐브, 헤미스페어, 스페어, 벽, 그리드, 홀 또는 이의 조합을 포함하는 형태학적 특징부, 텍스츄어 또는 표면을 의미하는 것으로 폭넓게 해석될 수 있다."Array" means fibers, columns, rods, pillars, loops, tubes, cones, blocks, cubes, hemispheres derived from or attached to (fixed) to a support, member or backing member. , can be broadly construed to mean a morphological feature, texture, or surface, including a spare, wall, grid, hole, or combination thereof.

"접촉한다"는 협의로는 2개의 대상 간의 직접적인 접촉을 의미하기는 하나, 광의로는 임의의 추가 구성 요소가 개재될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.Although "contacting" in a narrow sense means direct contact between two objects, it may be understood that any additional element may be interposed in a broad sense.

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있고, 해당 부재의 사이의 공간에 부분적으로 중첩되어 형성되어 있는 형태도 포함될 수 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다. It may be understood that the expressions “on” and “on” are used to refer to the concept of relative position. Accordingly, in addition to the case where other components or layers are directly present in the aforementioned layer, other layers (intermediate layers) or components may be interposed or present therebetween, and are formed by partially overlapping the space between the members. It may also be included in the form of Similarly, the expressions “under”, “under” and “below” and “between” may also be understood as relative concepts with respect to location. Also, the expression “sequentially” may be understood as a concept of relative position.

본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In the present specification, when a component is "included", it means that other components and/or steps may be further included, unless otherwise specified.

A. 물리적 포획 구조를 갖는 광 촉매 필터A. Photocatalytic filter with physical trapping structure

도 1은 예시적 구체예에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 구비한 광 촉매 필터의 개략적인 구조 및 SEM 사진이다.1 is a schematic structure and SEM photograph of a photocatalytic filter having a physical trapping structure in the form of an air pocket according to an exemplary embodiment.

광 촉매 산화 반응 중 가장 중요한 단계는 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 밴드 갭을 극복하기 위한 에너지가 필요한 정공-전자 쌍의 형성 단계이다. 광 에너지가 밴드 갭 에너지와 같거나, 이를 초과할 경우, 정공-전자 쌍이 촉매 내에서 형성되며, 전도대에서는 광 전자, 그리고 가전자대에서는 광 정공으로 각각 분해된다. 이와 동시에, 공기, 산소 및 오염 물질의 존재 하에서 광 산화 및 환원 반응이 일어나는 바, 상기 반응 과정에서 흡착된 대기 중 수분의 산화 또는 OH-로부터 유래하는 히드록시 라디칼의 반응성이 높다. 또한, 전자의 환원능으로 인하여 분자 산소가 수퍼옥사이드 라디칼(O2-)로 환원되도록 유도한다. 이러한 고반응성 종인 히드록시기 및 수퍼옥사이드 라디칼은 가스 상 매질 내 오염물(구체적으로 VOC와 같은 유기 오염물)에 대한 강한 분해능을 제공할 수 있다. The most important step in the photocatalytic oxidation reaction is the formation of a hole-electron pair that requires energy to overcome a band gap between a valence band and a conduction band. When the light energy equals or exceeds the band gap energy, a hole-electron pair is formed in the catalyst, which is decomposed into photoelectrons in the conduction band and photoholes in the valence band, respectively. At the same time, photo oxidation and reduction reactions occur in the presence of air, oxygen, and contaminants, and the oxidation of moisture in the air adsorbed during the reaction process or the reactivity of hydroxy radicals derived from OH − are high. In addition, due to the reducing ability of electrons, molecular oxygen is induced to be reduced to a superoxide radical (O 2 - ). These highly reactive species, hydroxyl groups and superoxide radicals, can provide strong resolution for contaminants (specifically organic contaminants such as VOCs) in gaseous media.

도 1을 다시 참조하면, 스트랜드 형태의 기재의 길이 방향을 따라 이의 표면(구체적으로 둘레 면) 상에 복수의 나노로드(즉, 나노로드 어레이)가 방사형으로 배치되어 있다. Referring back to FIG. 1 , a plurality of nanorods (ie, nanorod arrays) are radially disposed on a surface (specifically, a circumferential surface) of a strand-shaped substrate in the longitudinal direction thereof.

도시된 구체예에 따르면, 나노로드 어레이 상에 다공성 광 촉매 층이 배치되어 있는 바, 이러한 다공성 광 촉매 층은 나노로드 어레이 상에서 꽃잎(flower petals)과 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 나노로드 어레이 상에 다공성 광 촉매 층이 피복(또는 커버)됨으로써 비로소 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조가 형성될 수 있고, 그 결과 대기와 같은 가스 상 매질과 접촉함에 따라, 가스 상 매질 중 오염물을 에어 포켓 내에 물리적으로 포획(또는 포집)할 수 있다. According to the illustrated embodiment, since the porous photocatalyst layer is disposed on the nanorod array, the porous photocatalyst layer may be formed in a shape similar to flower petals on the nanorod array. In this way, the physical trapping structure in the form of air pockets can be formed only when the porous photocatalyst layer is coated (or covered) on the nanorod array, and as a result, as it comes into contact with a gaseous medium such as the atmosphere, in the gaseous medium Contaminants may be physically trapped (or trapped) within the air pockets.

이와 관련하여, 전술한 물리적 포획 구조는 인체의 폐포 또는 허파 꽈리(alveoli)와 유사한 구조를 갖게 되는데, 폐포는 인체의 호흡계 내 작은 풍선 형상의 구조를 의미할 수 있고, 이의 총 표면적은 약 70 ㎡로서 폐의 상대적 체적에 비하여 현저히 큰 수준이다. 폐포 내 공기의 보유 및 이의 큰 표면적이 종합적으로 작용하여 폐가 인체 내에서 호흡 기능을 수행하는 것을 가능케 한다. In this regard, the aforementioned physical trapping structure has a structure similar to human alveoli or alveoli, which may mean a small balloon-shaped structure in the respiratory system of the human body, and its total surface area is about 70 m , which is significantly larger than the relative volume of the lungs. The retention of air in the alveoli and its large surface area act collectively to enable the lungs to perform respiratory functions within the body.

한편, 예시적 구체예에 따르면, 스트랜드 형태의 기재는 광 노출, VOC와 같은 오염물 및 부생성물, 그리고 광 촉매 반응 시 안정성을 나타내는 특성을 갖는 것인 한, 특별히 한정되는 것은 아니다. 이때, 기재 단면은, 예를 들면 원형, 3각형, 4각형(예를 들면, 정사각형 또는 직사각형), 5각형, 6각형, 8각형, 오벌형(oval) 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 원형 단면을 가질 수 있다. 또한, 기재의 재질은 스테인리스 스틸(SUS), 니켈 폼, 구리 폼, 글라스, 알루미늄 포일 등과 같은 임의의 금속 또는 금속 합금 기재로부터 선택될 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. 다만, 안정성 및 경제성 면에서 스테인리스 스틸 재질을 사용하는 것이 유리할 수 있다.Meanwhile, according to an exemplary embodiment, the strand-type substrate is not particularly limited as long as it has characteristics that exhibit stability upon exposure to light, contaminants and by-products such as VOCs, and photocatalysis. In this case, the cross-section of the substrate may be, for example, a circle, a triangle, a quadrilateral (eg, a square or a rectangle), a pentagon, a hexagon, an octagon, an oval, and the like, and more specifically, a circular cross-section. can have In addition, the material of the substrate may be selected from any metal or metal alloy substrate such as stainless steel (SUS), nickel foam, copper foam, glass, aluminum foil, and the like, but this may be understood as illustrative. However, it may be advantageous to use a stainless steel material in terms of stability and economy.

예시적 구체예에 따르면, 스트랜드 형태의 기재의 단면 직경은, 예를 들면 약 30 내지 100 ㎛, 구체적으로 약 40 내지 70 ㎛, 보다 구체적으로 약 45 내지 55 ㎛ 범위 내에서 정하여질 수 있는 바, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. According to an exemplary embodiment, the cross-sectional diameter of the substrate in the form of a strand may be determined within the range of, for example, about 30 to 100 μm, specifically about 40 to 70 μm, and more specifically about 45 to 55 μm, It is not necessarily limited to this.

특정 구체예에 따르면, 기재는 단일 스트랜드 형태의 기재를 사용할 수도 있고, 택일적으로 복수의 스트랜드 형태의 기재가 조합된 구조물 형태로 사용 가능한 바, 예를 들면 메쉬(mesh) 구조물, 다공성 금속/비금속 폼, 직포/부직포 등으로 적용될 수 있다.According to a specific embodiment, the substrate may use a substrate in the form of a single strand, or alternatively, a substrate in the form of a plurality of strands may be used in the form of a combined structure, for example, a mesh structure, a porous metal/non-metal It can be applied to foam, woven/non-woven fabric, and the like.

다만, 메쉬 구조물의 경우, 메쉬의 포어 사이즈가 고려될 수 있는 바, 공기가 투과할 수 있으면서 후술하는 나노로드(및 광 촉매 성분)의 성장에 요구되는 표면적을 감소시키지 않는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 메쉬의 포어 사이즈는, 예를 들면 약 50 내지 150 ㎛, 구체적으로 약 70 내지 120 ㎛, 보다 구체적으로 약 80 내지 100 ㎛ 범위일 수 있으나, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있다. However, in the case of a mesh structure, since the pore size of the mesh may be considered, it is preferable not to reduce the surface area required for growth of nanorods (and photocatalytic components) to be described later while allowing air to permeate therethrough. In this regard, the pore size of the mesh may be, for example, in the range of about 50 to 150 μm, specifically about 70 to 120 μm, and more specifically about 80 to 100 μm, but this may be understood as an example.

한편, 스트랜드 형태의 기재 상에 형성된 나노로드 어레이는 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 지지하는 기능을 제공한다.On the other hand, the nanorod array formed on the strand-type substrate provides a function of supporting the air pocket-type physical trapping structure.

예시적 구체예에 따르면, 나노로드 어레이를 구성하는 개별 나노로드의 사이즈(직경)은, 예를 들면 약 50 내지 150 nm, 구체적으로 약 70 내지 130 nm, 보다 구체적으로 약 90 내지 110 nm 범위일 수 있다. 또한, 나노로드 어레이 내 개별 나노로드의 길이는, 예를 들면 약 400 내지 600 nm, 구체적으로 약 450 내지 550 nm, 보다 구체적으로 약 480 내지 520 nm 범위일 수 있다. 이외에도, 개별 나노로드의 종횡비(aspect ratio)는, 예를 들면 약 4 내지 12, 구체적으로 약 6 내지 11, 보다 구체적으로 약 8 내지 10의 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the size (diameter) of the individual nanorods constituting the nanorod array is, for example, in the range of about 50 to 150 nm, specifically about 70 to 130 nm, more specifically about 90 to 110 nm. can Further, the length of individual nanorods in the nanorod array may be, for example, in the range of about 400 to 600 nm, specifically about 450 to 550 nm, and more specifically about 480 to 520 nm. In addition, the aspect ratio of the individual nanorods may be, for example, in the range of about 4 to 12, specifically about 6 to 11, and more specifically about 8 to 10.

또한, 나노로드 어레이의 재질은, 예를 들면 전이금속, 구체적으로 전이금속 산화물로부터 선정 가능하다. 일 예로서, 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티타늄(TiO2), 산화코발트(Co3O4), 산화주석(SnO2), 산화니켈(NiO), 산화망간(MnO2) 등일 수 있으며, 구체적으로 산화아연일 수 있다. 특히, 산화아연을 사용할 경우, 우수한 안정성 및 전자 이동성을 나타낼 수 있고, VOC와 같은 유기계 분자에 대한 선택적 흡착 특성을 갖고 있으므로 유리하다. In addition, the material of the nanorod array can be selected from, for example, a transition metal, specifically, a transition metal oxide. As an example, zinc oxide (ZnO), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ), tin oxide (SnO 2 ), nickel oxide (NiO), manganese oxide (MnO) 2 ) and the like, and specifically zinc oxide. In particular, when zinc oxide is used, it is advantageous because it can exhibit excellent stability and electron mobility, and has selective adsorption properties for organic molecules such as VOCs.

예시적 구체예에 있어서, 다공성의 제1 촉매 층은 꽃입(flower petal) 형상의 박막 플레이트, 구체적으로 6방 구조(hexagonal) 박막 플레이트 형상으로 나노로드 어레이 상에 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 박막 플레이트의 사이즈(평균 사이즈)는, 예를 들면 약 200 내지 400 nm, 구체적으로 약 250 내지 350 nm, 보다 구체적으로 약 290 내지 310 nm 범위 내에서 선정될 수 있다.In an exemplary embodiment, the porous first catalyst layer may be formed on the nanorod array in the shape of a flower petal-shaped thin film plate, specifically, a hexagonal thin film plate shape. In this regard, the size (average size) of the thin film plate may be, for example, selected within a range of about 200 to 400 nm, specifically about 250 to 350 nm, and more specifically about 290 to 310 nm.

일 구체예에 따르면, 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조는 넓은 비표면적을 제공할 뿐만 아니라, 광 촉매 필터 구조 내에 가스 상 매질 내 오염물, 특히 VOC 등에 대한 포획 기능을 제공할 수 있다. 이때, 다공성의 제1 광 촉매 층은 이를 통하여 가스 상 매질이 교환 가능한 성상을 갖는 것일 수 있다. 그 결과, 종래 기술에서와 같이 강한 흡착제를 이용하여 대기 중으로부터 오염물을 포집할 필요가 없으며, 흡착제-촉매 시스템의 한계를 회피할 수 있도록 농도 구배에 기초한 확산 프로세스를 이용할 수 있다. According to one embodiment, the physical trapping structure in the form of an air pocket may not only provide a large specific surface area, but also provide a trapping function for contaminants in a gaseous medium, particularly VOCs, in the photocatalytic filter structure. In this case, the porous first photocatalyst layer may have a property through which the gaseous medium can be exchanged. As a result, there is no need to capture contaminants from the atmosphere using strong adsorbents as in the prior art, and a concentration gradient-based diffusion process can be used to avoid the limitations of adsorbent-catalyst systems.

구체적으로, 다공성의 제1 광 촉매 층은 외측 가스 상 매질(대기, 실내 공기 등) 내 오염물의 농도가 에어 포켓 내에 비하여 높기 때문에 농도 구배가 발생하며, 이러한 농도 구배는 오염물의 분자를 에어 포켓 내로 전달하거나 이동시킬 수 있는 구동력을 제공한다. 이와 같이, 유기계 오염물 분자에 대한 나노로드(특히, ZnO 재질의 나노로드)의 선택적 흡착 및 농도 구배를 통하여 공기로부터 폐포와 유사한 구조의 촉매 내로 분자 확산이 일어날 수 있다. Specifically, in the porous first photocatalyst layer, a concentration gradient occurs because the concentration of contaminants in the outer gaseous medium (atmosphere, indoor air, etc.) is higher than in the air pockets, and this concentration gradient moves molecules of the contaminants into the air pockets. It provides a driving force that can transmit or move. As such, molecular diffusion may occur from the air into the catalyst having a structure similar to that of the alveoli through the selective adsorption and concentration gradient of nanorods (particularly, ZnO nanorods) with respect to organic pollutant molecules.

한편, 포획된 오염물은 에어 포켓 내에서 포획된 상태를 유지하고, 서서히 또는 조절 가능한 방식으로 방출되어 제1 광촉매 층(또는 제1 광촉매 층과 후술하는 제2 광촉매 층)에 의하여 분해될 수 있다(적당한 밴드 엣지 위치를 갖고 있어 전하 분리 및 활성산소 종(ROS) 생성을 용이하게 함). 이와 관련하여, 제1 광 촉매 층이 불충분하게 형성되는 경우에는 포획된 오염물 분자가 에어 포켓 내로 유입된다 해도 용이하게 광 촉매 층의 포어를 가로질러 배출될 수 있다. 반면, 제1 광 촉매 층이 지나치게 작은 포어 사이즈 또는 과도한 두께를 갖는 경우(즉, 지나치게 밀집 또는 조밀한 상태를 형성하여 오염물 입자가 외부로부터 에어 포켓 내로 이동하기 위한 경로가 한정할 경우), 농도 구배에 의한 구동력이 발생됨에도 불구하고 에어 포켓 내로 오염물 분자가 유입되는 것이 블로킹될 수 있다. On the other hand, the trapped contaminants may remain trapped within the air pocket, and may be released slowly or in a controllable manner and decomposed by the first photocatalyst layer (or the first photocatalyst layer and the second photocatalyst layer to be described later) ( It has a suitable band edge position to facilitate charge separation and reactive oxygen species (ROS) generation). In this regard, when the first photocatalyst layer is insufficiently formed, the trapped contaminant molecules can be easily discharged across the pores of the photocatalyst layer even if they enter the air pockets. On the other hand, when the first photocatalyst layer has an excessively small pore size or excessive thickness (ie, a path for contaminant particles to move from the outside into the air pocket is limited by forming an excessively dense or dense state), the concentration gradient In spite of the generation of driving force by

따라서, 제1 광 촉매 층은 농도 구배에 따른 분자 확산에 의하여 오염물 분자가 촉매 층을 가로질러 에어 포켓 내로 유입될 수 있고, 또한 포획된 오염물 분자가 에어 포켓으로부터 용이하게 배출되지 않는 성상을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 이를 위하여, 제1 광 촉매 층의 포어 사이즈, 두께, 촉매 층의 수(또는 적층 수) 등으로부터 적어도 하나를 조절할 수 있다. Therefore, the first photocatalyst layer provides a property that contaminant molecules can cross the catalyst layer and enter into the air pocket by molecular diffusion according to the concentration gradient, and the trapped contaminant molecules are not easily discharged from the air pocket. it can be advantageous To this end, at least one may be adjusted from the pore size and thickness of the first photocatalyst layer, the number of catalyst layers (or the number of layers), and the like.

또한, 제1 광 촉매 층은 1층 또는 2 이상의 층으로 이루어질 수 있는 바, 이에 대응하여 광 촉매 층의 부착(deposition) 또는 코팅 단계의 회수를 정할 수 있다. 일 예로서, 제1 광 촉매 층의 전체 두께는, 예를 들면 약 200 내지 800 nm, 구체적으로 약 300 내지 700 nm, 보다 구체적으로 약 400 내지 600 nm 범위일 수 있고, 2층 이상으로 구성할 경우, 개별 촉매 층의 두께는, 예를 들면 약 100 내지 300 nm, 구체적으로 약 200 내지 280 nm, 보다 구체적으로 약 220 내지 260 nm 범위일 수 있다. In addition, the first photocatalyst layer may consist of one layer or two or more layers, and correspondingly, it is possible to determine the number of deposition or coating steps of the photocatalyst layer. As an example, the total thickness of the first photocatalyst layer may be, for example, in the range of about 200 to 800 nm, specifically about 300 to 700 nm, more specifically about 400 to 600 nm, and may consist of two or more layers. In this case, the thickness of the individual catalyst layers may range, for example, from about 100 to 300 nm, specifically from about 200 to 280 nm, and more specifically from about 220 to 260 nm.

예시적 구체예에 따르면, 다공성의 제1 광 촉매 층은 나노로드 어레이 상에서 성장 가능하며, 적절한 사이즈의 플레이트 구조를 형성할 수 있는 특성을 갖는 개질에서 선정될 수 있다(플레이트 사이즈가 지나치게 작은 경우에는 나노로드를 통과하여 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조가 블로킹될 수 있기 때문임). 이러한 제1 광 촉매 층의 밴드 갭은, 예를 들면 약 2.3 내지 3.5 eV, 구체적으로 약 2.4 내지 3.2 eV, 보다 구체적으로 약 2.5 내지 2.8 eV 범위를 가질 수 있다. 이와 관련하여, 제1 광 촉매 층의 재질은, 예를 들면 금속 몰리브데이트(MMoO4)(M은 VIII족 및 IB족 금속으로부터 선택되며, 구체적으로 Ni, Co, Fe 또는 Cu임), NiCo2O4, NiCo2S4, CdS, Bi2WO6, SnO2, ZrO2, Fe2O3, 및 WSe2로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 광 촉매 층은 니켈 몰리브데이트(NiMoO4) 재질일 수 있는 바, NiMoO4는 약 2.54 eV의 좁은 밴드 갭을 갖고 있고, 저비용이면서 환경 친화적이다. 또한, 자외선 조사, 광 촉매 반응의 부생성물 등에 대하여도 양호한 안정성을 갖고 있다. 특히, 나노로드 어레이 상에만 부착 가능하고, 적절한 사이즈의 플레이트 구조를 형성할 수 있는 점에서 유리할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the porous first photocatalyst layer may be grown on a nanorod array and may be selected from a modification having properties capable of forming a plate structure of an appropriate size (if the plate size is too small, This is because the physical trapping structure in the form of air pockets can be blocked by passing through the nanorods). The band gap of this first photocatalyst layer may range, for example, from about 2.3 to 3.5 eV, specifically from about 2.4 to 3.2 eV, and more specifically from about 2.5 to 2.8 eV. In this regard, the material of the first photocatalyst layer is, for example, metal molybdate (MMoO 4 ) (M is selected from group VIII and group IB metals, specifically Ni, Co, Fe or Cu), NiCo 2 O 4 , NiCo 2 S 4 , CdS, Bi 2 WO 6 , SnO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , and WSe 2 may be at least one selected from the group consisting of. More specifically, the first photocatalyst layer may be made of a nickel molybdate (NiMoO 4 ) material, and NiMoO 4 has a narrow band gap of about 2.54 eV, and is low-cost and environmentally friendly. Moreover, it has favorable stability also with respect to ultraviolet irradiation, a by-product of a photocatalytic reaction, etc. In particular, it may be advantageous in that it can be attached only to the nanorod array, and a plate structure of an appropriate size can be formed.

한편, 예시적 구체예에 따르면, 광 촉매 필터는 전술한 제1 광 촉매 층과 조합하여 복합체를 형성하고, 제2 광 촉매 층을 더 포함할 수 있다. 예시적으로, 제2 광 촉매 층은 제1 광 촉매 층에 대하여 헤테로 접합 구조를 형성할 수 있고, 또한 이의 밴드 엣지 위치는 수퍼옥사이드 라디칼을 형성하도록 약 -0.1 eV보다 작을 수 있다. 또한, 제2 광 촉매 층은 박막 형태로 제1 광 촉매 층을 피복할 수 있으면서 제1 광 촉매 층 내의 포어를 블로킹 또는 폐색시키지 않는 종류로부터 선택 가능하다.Meanwhile, according to an exemplary embodiment, the photocatalytic filter may be combined with the above-described first photocatalyst layer to form a composite, and may further include a second photocatalyst layer. Illustratively, the second photocatalyst layer may form a heterojunction structure with respect to the first photocatalyst layer, and its band edge position may be less than about -0.1 eV to form superoxide radicals. In addition, the second photocatalyst layer can be selected from a type that does not block or block pores in the first photocatalyst layer while being able to coat the first photocatalyst layer in the form of a thin film.

일 예로서, 광 촉매 필터 내 제2 광 촉매 층은 박막의 시트 형태로 제1 광 촉매 층을 피복하거나 둘러싸도록 포함될 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 제2 광촉매 층은 다공성의 비정질 구조를 나타낼 수 있다. As an example, the second photocatalyst layer in the photocatalytic filter may be included to cover or surround the first photocatalyst layer in the form of a thin film sheet. According to an exemplary embodiment, the second photocatalyst layer may exhibit a porous amorphous structure.

이때, 제2 광 촉매 층의 재질은 질화탄소(C3N4), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 그래핀 산화물(graphene oxide), 탄소 양자점(carbon quantum dots), 염화은(AgCl), 브롬화은(AgBr), 셀레늄화아연(ZnSe), 산화세륨(CeO2), 및 황화카드뮴(CdS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 구체적으로 질화탄소(C3N4), 보다 구체적으로 알칼리-개질된 질화탄소(m-C3N4)를 사용할 수 있다. 이와 같이, 알칼리-개질된 제2 광 촉매 층을 더 포함함으로써 나노로드 어레이 상에 형성되는 다공성 광 촉매 층이 보다 균일한 다공성을 나타낼 수 있다. 이때, 알칼리 개질을 위하여 수산화나트륨, KOH 등으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. 다만, 지나치게 많은 량의 알칼리로 개질될 경우, 기저의 제1 광 촉매 층의 포어를 블로킹 또는 폐색시킬 수 있는 만큼, 적정한 수준으로 알칼리 개질된 제2 광 촉매 층을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 제2 광 촉매 층은 제1 광 촉매 층의 두께 대비 미미할 정도의 얇은 두께를 갖는 것이 유리할 수 있다. 다만, 제2 광 촉매 층을 형성함으로써 광 촉매 층의 포어 사이즈를 변화시킬 수 있다. At this time, the material of the second photocatalyst layer is carbon nitride (C 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), graphene oxide, carbon quantum dots, silver chloride (AgCl) ), silver bromide (AgBr), zinc selenide (ZnSe), cerium oxide (CeO 2 ), and cadmium sulfide (CdS) may be at least one selected from the group consisting of, specifically carbon nitride (C 3 N 4 ), More specifically, alkali-modified carbon nitride (mC 3 N 4 ) may be used. As such, by further including the alkali-modified second photocatalyst layer, the porous photocatalyst layer formed on the nanorod array may exhibit more uniform porosity. In this case, at least one selected from sodium hydroxide, KOH, and the like may be used for alkali modification. However, when it is modified with an excessively large amount of alkali, it may be advantageous to use the alkali-modified second photocatalyst layer to an appropriate level as much as it can block or clog the pores of the underlying first photocatalyst layer. In addition, it may be advantageous that the second photocatalyst layer has a thickness that is insignificant compared to the thickness of the first photocatalyst layer. However, the pore size of the photocatalyst layer may be changed by forming the second photocatalyst layer.

또한, 제2 광 촉매 층으로 피복함으로써 밴드 갭 역시 다소 변화할 수 있는 바, 예를 들면 제1 광 촉매 층이 형성된 경우, 밴드 갭이 약 2.6 eV일 때, 그 위에 제2 광 촉매 층이 형성될 경우에는 약 2.44 eV 수준일 수 있다.In addition, the band gap can also be slightly changed by covering with the second photocatalyst layer, for example, when the first photocatalyst layer is formed, when the band gap is about 2.6 eV, the second photocatalyst layer is formed thereon In this case, it may be at a level of about 2.44 eV.

이와 같이, 폐포와 유사한 구조를 갖는 촉매는 실내외 공기와 같은 가스 상 매질 내 오염물, 구체적으로 VOC, 특히 톨루엔과 같은 방향족 성분의 분해에 적합한 특성을 갖게 된다.As such, the catalyst having a structure similar to that of the alveoli has properties suitable for decomposition of contaminants in a gaseous medium such as indoor and outdoor air, specifically VOCs, particularly aromatic components such as toluene.

광 촉매 필터의 제조방법Manufacturing method of photocatalytic filter

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조가 구비된 광 촉매 필터의 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present disclosure, there is provided a method of manufacturing a photocatalytic filter provided with a physical trapping structure in the form of an air pocket.

먼저, 스트랜드 형태의 기재를 제공하며, 이에 관한 세부 사항은 앞서 기재된 바와 같다. 그 다음, 기재 상에 나노로드 어레이를 형성하는 단계가 수행된다.First, a substrate in the form of a strand is provided, and details thereof are as described above. Then, the step of forming the nanorod array on the substrate is performed.

이와 관련하여, 나노로드는 전술한 바와 같이 전이금속, 구체적으로 전이금속 산화물 재질로서, 당업계에서 알려진 방법, 예를 들면 VLS 공정(vapor-liquid-solid process), 전기도금법, 졸-겔법, MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), 수열합성법 또는 용매열합성법 등을 통하여 기재 상에 형성될 수 있는 바, 대표적으로는 수열합성법(또는 용매열합성법)을 이용할 수 있다.In this regard, the nanorods are, as described above, a transition metal, specifically, a transition metal oxide material, and a method known in the art, for example, a vapor-liquid-solid process (VLS), electroplating method, sol-gel method, MOCVD The bar may be formed on the substrate through (metal-organic chemical vapor deposition), hydrothermal synthesis, solvothermal synthesis, or the like. Typically, hydrothermal synthesis (or solvothermal synthesis) may be used.

이하에서는 수열 합성법을 통한 나노로드 어레이를 형성하는 방식을 중심으로 기재하는 바, 구체적으로 전이금속 산화물의 전구체 용액, 구체적으로 전이금속 이온-함유 전구체 용액을 이용한 습식 성장 방식을 이용할 수 있다. 이때, 전이금속 이온-함유 전구체 용액에 사용되는 용매로서, 예를 들면 C1-4의 알코올 및/또는 물, 구체적으로 에탄올, 이소프로판올, 및/또는 물, 보다 구체적으로 물을 예시할 수 있다.Hereinafter, a method of forming a nanorod array through hydrothermal synthesis will be mainly described. Specifically, a wet growth method using a transition metal oxide precursor solution, specifically a transition metal ion-containing precursor solution may be used. In this case, as the solvent used in the transition metal ion-containing precursor solution, for example, a C1-4 alcohol and/or water, specifically ethanol, isopropanol, and/or water, more specifically water, may be exemplified.

예시적 구체예에 따르면, 본 구체예에서 나노로드 형성을 위하여 사용가능한 전이금속은, 예를 들면 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 주석(Sn), 니켈(Ni) 및 망간(Mn)으로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있고, 보다 구체적으로는 아연(Zn)일 수 있다. 또한, 전이금속은 질산염, 황산염, 아세트산염, 포름산염, 할로겐화물, 수산화물, 이의 조합 또는 이의 수화물일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the transition metal usable for forming the nanorods in this embodiment is, for example, zinc (Zn), zirconium (Zr), titanium (Ti), cobalt (Co), tin (Sn), At least one may be selected from the group consisting of nickel (Ni) and manganese (Mn), and more specifically, zinc (Zn). In addition, the transition metal may be nitrate, sulfate, acetate, formate, halide, hydroxide, a combination thereof, or a hydrate thereof.

특정 구체예에 따르면, 전이금속은 아연일 수 있는 바, 아연 전구체는 수용성 아연 화합물(또는 염)일 수 있으며, 구체적으로 질산아연, 황산아연, 아세트산아연, 포름산아연, 염화(II) 아연, 요오드화아연, 이의 수화물 등일 수 있는 바, 이들을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 아세트산아연을 사용할 수 있는 바, 이는 아세트산아연이 스트랜드 형태의 기재, 특히 스테인리스 스틸 재질의 기재에 대하여 양호한 친화성을 갖기 때문이다.According to a specific embodiment, the transition metal may be zinc, and the zinc precursor may be a water-soluble zinc compound (or salt), specifically zinc nitrate, zinc sulfate, zinc acetate, zinc formate, zinc (II) chloride, zinc iodide. Zinc, a hydrate thereof, etc. may be used, and these may be used alone or in combination. More specifically, zinc acetate can be used because zinc acetate has good affinity for a strand-type substrate, particularly a substrate made of stainless steel.

이와 관련하여, 전구체 용액 내 전이금속 전구체(전이금속 이온)의 농도는 나노로드의 밀도에 영향을 줄 수 있는 인자로서, 예를 들면 전이금속 이온의 농도가 증가함에 따라 기재 상에 생성되는 핵 생성점이 증가하게 된다. 이러한 점을 고려할 때, 전구체 용액 내 전이금속 전구체의 농도는, 예를 들면 약 1 내지 100 mM, 구체적으로 약 10 내지 60 mM, 보다 구체적으로 약 20 내지 40 mM, 특히 구체적으로 약 25 내지 30 mM 범위일 수 있다. 전이금속 전구체의 농도가 지나치게 낮거나 높은 경우에는 전이금속 산화물의 생성이 곤란한 만큼, 전술한 범위 내에서 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 상기 농도 범위는 예시적인 것으로 반응 조건, 원하는 나노로드 어레이의 형상 및 치수 등을 고려하여 변경될 수 있다.In this regard, the concentration of the transition metal precursor (transition metal ion) in the precursor solution is a factor that can affect the density of the nanorods, for example, nucleation generated on the substrate as the concentration of the transition metal ion increases. points will increase. In consideration of this, the concentration of the transition metal precursor in the precursor solution is, for example, about 1 to 100 mM, specifically about 10 to 60 mM, more specifically about 20 to 40 mM, particularly about 25 to 30 mM. can be a range. When the concentration of the transition metal precursor is excessively low or high, it may be advantageous to control the transition metal oxide within the above-mentioned range as much as it is difficult to generate the transition metal oxide. However, the concentration range is exemplary and may be changed in consideration of reaction conditions, the shape and size of a desired nanorod array, and the like.

수열합성 반응을 위하여 전이금속 전구체-함유 수용액은 전구체가 산화물로 전환됨과 동시에 기재 상에서 특정 면 방향으로(예를 들면, 1차원 방향으로) 성장할 수 있도록 하는 적어도 하나의 첨가 성분(환원제 포함)을 더 포함할 수 있다. 이러한 첨가 성분의 예는 헥사메틸렌테트라아민, 에틸렌디아민, 암모니아, 폴리에틸렌이민, 우레아, 또는 이들의 조합일 수 있다. 특히, 상술한 첨가 성분은 수열합성 반응 중 나노로드의 형태학적 특징에 영향을 주는 바, 구체적으로 특정 결정 면의 성장을 촉진하거나 억제하는 역할을 한다. 즉, 전구체가 산화물로 전환되고 나노로드와 같이 1차원적 구조로 성장하도록, 측 방향의 성장은 억제하는 역할을 한다. For the hydrothermal synthesis reaction, the transition metal precursor-containing aqueous solution further contains at least one additive component (including a reducing agent) that enables the precursor to be converted into an oxide and grow in a specific plane direction (eg, one-dimensional direction) on the substrate at the same time. may include Examples of such an additive component may be hexamethylenetetraamine, ethylenediamine, ammonia, polyethyleneimine, urea, or a combination thereof. In particular, the above-described additive component affects the morphological characteristics of the nanorods during the hydrothermal synthesis reaction, and specifically serves to promote or inhibit the growth of a specific crystal plane. That is, the precursor is converted into an oxide and grows in a one-dimensional structure like a nanorod, thereby inhibiting lateral growth.

이와 관련하여, 나노로드 어레이는 기재의 표면에 대하여 비등방성으로, 구체적으로 수직(perpendicular) 또는 비수직(non-perpendicular) 방향으로 성장할 수 있으나, 기재 표면에 대하여, 예를 들면 약 60 내지 120°, 구체적으로 약 70 내지 110°, 보다 구체적으로 약 80 내지 100°, 특히 구체적으로는 실질적으로 수직 방향으로 성장(구체적으로 결정 성장)할 수 있다.In this regard, the nanorod array may grow anisotropically with respect to the surface of the substrate, specifically in a perpendicular or non-perpendicular direction, but with respect to the surface of the substrate, for example, about 60 to 120° , specifically about 70 to 110°, more specifically about 80 to 100°, particularly, in a substantially vertical direction (specifically, crystal growth).

예시적으로, 전이금속 이온-함유 용액 내 첨가 성분의 전체 농도는 약 5 내지 80 mM, 구체적으로 약 10 내지 70 mM, 보다 구체적으로 약 20 내지 60 mM 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. Illustratively, the total concentration of the addition component in the transition metal ion-containing solution may be appropriately adjusted within the range of about 5 to 80 mM, specifically about 10 to 70 mM, and more specifically about 20 to 60 mM.

또한, 예시적 구체예에 따르면, 전구체-함유 용액 내에서 전이금속 : 첨가 성분의 몰 비는, 예를 들면 약 0.3 내지 3 : 1, 구체적으로 약 0.4 내지 2 : 1, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 1 : 1의 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. Further, according to an exemplary embodiment, the molar ratio of the transition metal:addition component in the precursor-containing solution is, for example, from about 0.3 to 3:1, specifically from about 0.4 to 2:1, more specifically from about 0.5 to It may be a range of 1:1, but this may be understood as an example.

특정 구체예에 따르면, 상기 첨가 성분은 헥사메틸렌테트라아민과 우레아의 조합을 함유할 수 있으며, 이때 헥사메틸렌테트라아민은 환원제의 기능을 하는 한편, 우레아는 1차원 구조의 어레이 형성을 유도한다. 이때 헥사메틸렌테트라아민/우레아의 몰 비는, 예를 들면 약 0.3 내지 5, 구체적으로 약 0.5 내지 2, 보다 구체적으로 약 0.6 내지 1.5의 범위일 수 있다. According to a specific embodiment, the additive component may contain a combination of hexamethylenetetraamine and urea, wherein hexamethylenetetraamine functions as a reducing agent, while urea induces the formation of an array of one-dimensional structures. In this case, the molar ratio of hexamethylenetetraamine/urea may be, for example, about 0.3 to 5, specifically about 0.5 to 2, and more specifically about 0.6 to 1.5.

예시적 반응 시스템에 있어서, 전이금속이 아연인 경우, 전구체 용액 내에서 아연 전구체는 하기 반응식 1(환원제로서 암모니아를 사용하는 경우) 또는 반응식 2(환원제로서 헥사메틸렌테트라아민을 사용하는 경우)에 따라 산화아연으로 전환되면서 스트랜드 형태의 기재 상에서 나노로드 같은 1차원적 형상으로 성장하게 된다.In an exemplary reaction system, when the transition metal is zinc, the zinc precursor in the precursor solution is according to the following Scheme 1 (when ammonia is used as the reducing agent) or Scheme 2 (when using hexamethylenetetraamine as the reducing agent) As it is converted to zinc oxide, it grows in a one-dimensional shape such as a nanorod on a strand-type substrate.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[반응식 2][Scheme 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

한편, 수열합성 중 반응 시간 및 온도는 전이금속 산화물의 형태에 영향을 주는 바, 반응 온도는, 예를 들면 약 60 내지 150℃, 구체적으로 약 70 내지 130℃, 보다 구체적으로 약 90 내지 120℃ 범위일 수 있고, 또한 반응(열처리) 시간은, 예를 들면 약 1 내지 48 시간, 구체적으로 약 3 내지 20 시간, 보다 구체적으로 약 5 내지 10 시간 범위일 수 있다. 이때, 나노로드의 직경은 전형적으로 반응 시간에 따라 변화할 수 있는 바, 예를 들면 반응(열처리) 시간에 따라 약 0.5 내지 10 ㎛/hr, 구체적으로 약 1 내지 2 ㎛/hr의 속도로 성장할 수 있으나, 이는 예시적인 의미로 이해될 수 있다. Meanwhile, the reaction time and temperature during hydrothermal synthesis affect the form of the transition metal oxide, and the reaction temperature is, for example, about 60 to 150° C., specifically about 70 to 130° C., and more specifically about 90 to 120° C. range, and the reaction (heat treatment) time may range, for example, from about 1 to 48 hours, specifically from about 3 to 20 hours, and more specifically from about 5 to 10 hours. At this time, the diameter of the nanorods can typically change with the reaction time, for example, grow at a rate of about 0.5 to 10 μm/hr, specifically about 1 to 2 μm/hr, depending on the reaction (heat treatment) time. However, this may be understood in an exemplary sense.

이와 같이 다수의 핵 생성점으로부터 결정 성장하여, 스트랜드 형태의 기재의 길이 방향을 따라 전이금속 산화물 재질의 나노로드 어레이가 방사형으로 형성될 수 있다.As described above, by crystal growth from a plurality of nucleation points, a nanorod array made of a transition metal oxide material may be radially formed along the length direction of the strand-shaped substrate.

한편, 전술한 바와 같이 수열합성법에 의하여 나노로드가 용이하게 성장할 수 있도록 반응에 앞서 스트랜드 형태의 기재 표면에 시드층을 형성하는 단계가 선택적으로 수행될 수 있다. 이러한 시드층은 전이금속 산화물(예를 들면, 산화아연)이 성장할 수 있는 핵점(nucleation spot)으로 작용할 수 있는 바, 예를 들면 결정화된 시드 충일 수도 있고, 또는 단결정 전이금속 산화물 층일 수도 있다. 예시적 구체예에 따르면, 시드층을 형성하기 위한 방법으로, 전이금속 산화물의 시드 용액과 기재를 접촉시키는 방식, 물리적 방식(기상증착, 스퍼터링 등) 등으로 형성할 수 있다.Meanwhile, as described above, the step of forming a seed layer on the surface of the strand-shaped substrate prior to the reaction may be selectively performed so that the nanorods can be easily grown by the hydrothermal synthesis method. Such a seed layer may act as a nucleation spot on which a transition metal oxide (eg, zinc oxide) can grow. For example, it may be a crystallized seed layer or a single crystal transition metal oxide layer. According to an exemplary embodiment, as a method for forming the seed layer, it may be formed by a method of contacting a seed solution of a transition metal oxide with a substrate, a physical method (vapor deposition, sputtering, etc.).

일 예로서, 시드 용액을 이용하는 경우, 예를 들면 전구체 용액(농도: 예를 들면 약 5 내지 30 mM, 구체적으로 약 8 내지 20 mM, 보다 구체적으로 약 10 내지 15 mM)을 기재 상에 예를 들면, 딥핑, 함침 등에 의하여 접촉시켜 시드 층을 형성하고, 산소-함유 분위기 하에서 열처리(예를 들면, 약 200 내지 500℃, 구체적으로 약 300 내지 400℃)하는 방식으로 수행 가능하며, 열 처리 전에 세척(구체적으로 알코올(에탄올) 세척) 및/또는 건조가 수행될 수 있다. 또한, 코팅 과정 또는 코팅 후에 견고한 시드층 형성을 위하여 선택적으로 초음파 처리가 수반될 수도 있다. As an example, when using a seed solution, for example, a precursor solution (concentration: for example about 5 to 30 mM, specifically about 8 to 20 mM, more specifically about 10 to 15 mM) is applied onto a substrate, for example. For example, it is possible to form a seed layer by contacting it by dipping, impregnation, etc., and heat treatment (eg, about 200 to 500° C., specifically about 300 to 400° C.) in an oxygen-containing atmosphere. Washing (specifically alcohol (ethanol) washing) and/or drying may be performed. In addition, ultrasonic treatment may optionally be accompanied in order to form a solid seed layer during the coating process or after coating.

한편, 전술한 바와 같이 나노로드 어레이가 형성된 기재, 즉 나노로드/기재 구조물이 형성된 후, 다공성의 제1 광촉매 층을 형성하는 단계가 수행될 수 있다.Meanwhile, as described above, after the substrate on which the nanorod array is formed, that is, the nanorod/substrate structure is formed, the step of forming the porous first photocatalyst layer may be performed.

이와 관련하여, 다공성의 제1 광촉매 층은, 예를 들면 금속 몰리브데이트(MMoO4)(M은 VIII족 및 IB족 금속으로부터 선택되며, 구체적으로 Ni, Co, Fe 또는 Cu임), NiCo2O4, NiCo2S4, CdS, Bi2WO6, SnO2, ZrO2, Fe2O3, 및 WSe2로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 이하에서는 금속 몰리브데이트 기반의 제1 광촉매 층의 제조를 중심으로 기재하기로 한다..In this regard, the porous first photocatalyst layer may be, for example, a metal molybdate (MMoO 4 ) (M is selected from group VIII and group IB metals, specifically Ni, Co, Fe or Cu), NiCo 2 O 4 , NiCo 2 S 4 , CdS, Bi 2 WO 6 , SnO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , and WSe 2 may be at least one selected from the group consisting of, and below, the first metal molybdate-based first The preparation of the photocatalyst layer will be mainly described.

예시적 구체예에 따르면, 금속(M)의 전구체(소스)는 물 또는 산에 용해될 수 있는 한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 산화물, 수산화물, 질산염, 황산염, 탄산염 등의 무기 화합물; 아세트산염, 옥살산염 등의 유기산염; 아세틸아세토네이트 착체, 금속 알콕사이드 등의 유기금속착체 등으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the precursor (source) of the metal (M) is not particularly limited as long as it is soluble in water or acid, but for example, inorganic compounds such as oxides, hydroxides, nitrates, sulfates, carbonates; organic acid salts such as acetate and oxalate; It may be at least one selected from organometallic complexes such as acetylacetonate complexes and metal alkoxides.

예시적으로, 금속(M)이 니켈인 경우, 수산화니켈, 질산니켈, 황산니켈, 탄산니켈, 아세트산니켈, 옥살산니켈, 시트르산니켈, 벤조산니켈, 2-에틸헥실산니켈, 비스(아세틸아세토네이트)니켈 등을 들 수 있다. 금속(M)이 코발트인 경우, 질산코발트, 코발트(III) 아세틸아세토네이트, 아세트산코발트, 옥살산코발트 등을 예시할 수 있다. 금속(M)이 철인 경우, 질산철(II), 황산철(II), 아세트산철(II), 및 할로겐화철(II)(예를 들면, FeCl2, FeBr2, 및 FeI2)와 같은 Fe(II) 화합물, 그리고 질산철(III), 황산철(III), 아세트산철(III), 및 할로겐화철(III)(예를 들면, FeCl3, FeBr3, 및 FeI3)과 같은 Fe(III) 화합물로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이외에도, 금속(M)이 구리인 경우, 질산구리, 황산구리, 아세트산구리, 포름산구리, 염화(II)구리, 요오드화구리 등으로부터 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다.Illustratively, when the metal (M) is nickel, nickel hydroxide, nickel nitrate, nickel sulfate, nickel carbonate, nickel acetate, nickel oxalate, nickel citrate, nickel benzoate, nickel 2-ethylhexylate, bis(acetylacetonate) Nickel etc. are mentioned. When metal (M) is cobalt, cobalt nitrate, cobalt (III) acetylacetonate, cobalt acetate, cobalt oxalate, etc. can be illustrated. When the metal (M) is iron, Fe such as iron(II) nitrate, iron(II) sulfate, iron(II) acetate, and iron(II) halide (eg, FeCl 2 , FeBr 2 , and FeI 2 ) (II) compounds, and Fe(III) such as iron(III) nitrate, iron(III) sulfate, iron(III) acetate, and iron(III) halide (eg, FeCl 3 , FeBr 3 , and FeI 3 ). ) may be used at least one selected from compounds. In addition, when the metal (M) is copper, at least one selected from copper nitrate, copper sulfate, copper acetate, copper formate, copper (II) chloride, and copper iodide may be used.

또한, 몰리브덴 전구체(소스)는, 예를 들면 산화몰리브덴, 몰리브덴산 암모늄, 몰리브덴산 나트륨, 몰리브덴산 칼륨, 몰리브덴산 루비듐, 몰리브덴산 세슘, 몰리브덴산 리튬, 2-에틸헥실산 몰리브덴, 비스(아세틸아세토네이트)옥소 몰리브덴 등으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.The molybdenum precursor (source) is, for example, molybdenum oxide, ammonium molybdate, sodium molybdate, potassium molybdate, rubidium molybdate, cesium molybdate, lithium molybdate, molybdenum 2-ethylhexylate, bis(acetylaceto nate) may be at least one selected from oxo molybdenum and the like.

예시적 구체예에 따르면, 전술한 금속(M)의 전구체 및 몰리브덴 전구체를 함유하는 전구체 용액을 제조할 수 있다. 이때, 용매로서 C1-4의 알코올 및/또는 물, 구체적으로 에탄올, 이소프로판올, 및/또는 물, 보다 구체적으로 물을 사용할 수 있다. 또한, 전구체 용액의 pH는 가급적 중성으로 유지할 수 있는 바, 이를 위하여 염기 성분, 예를 들면 수산화물, 우레아, 암모니아, 탄산암모늄, 4급 암모늄염 등으로부터 선택되는 적어도 하나를 첨가할 수 있다.According to an exemplary embodiment, a precursor solution containing the aforementioned metal (M) precursor and the molybdenum precursor may be prepared. In this case, as the solvent, C1-4 alcohol and/or water, specifically ethanol, isopropanol, and/or water, more specifically water, may be used. In addition, the pH of the precursor solution can be maintained as neutral as possible, for this purpose, a base component, for example, at least one selected from hydroxide, urea, ammonia, ammonium carbonate, quaternary ammonium salt, and the like may be added.

예시적 구체예에 따르면, 전구체 용액 내 몰리브덴의 농도는, 예를 들면 약 1 내지 50 mM, 구체적으로 약 3 내지 40 mM, 보다 구체적으로 약 8 내지 20 mM 범위일 수 있다. 또한, 전구체 용액 내 금속(M)/Mo의 몰 비는, 예를 들면 약 0.1 내지 10, 구체적으로 약 0.3 내지 7, 보다 구체적으로 0.8 내지 2의 범위일 수 있다. 상기 수치범위는 예시적 목적으로 기재된 것으로, 본 개시 내용이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment, the concentration of molybdenum in the precursor solution may range, for example, from about 1 to 50 mM, specifically from about 3 to 40 mM, more specifically from about 8 to 20 mM. In addition, the molar ratio of metal (M)/Mo in the precursor solution may be, for example, in the range of about 0.1 to 10, specifically about 0.3 to 7, and more specifically 0.8 to 2. The above numerical ranges are described for illustrative purposes, and the present disclosure is not necessarily limited thereto.

그 다음, 앞서 제조된 나노로드/기재 구조물을 광촉매용 전구체 용액과 당업계에서 공지된 방식(예를 들면, 딥핑 등)으로 접촉시키는 방식으로 제1 광촉매 층을 형성할 수 있다. 이때, 나노로드/기재 구조물과의 접촉은, 승온 조건, 예를 들면 약 70 내지 140 ℃(구체적으로 약 75 내지 110 ℃, 보다 구체적으로 약 80 내지 95 ℃)의 온도 조건 하에서, 예를 들면 약 4 내지 12 시간(구체적으로 약 5 내지 10 시간, 보다 구체적으로 약 5 내지 8 시간) 동안 수행될 수 있다. 이후, 선택적으로 세척(구체적으로 탈이온수 세척 및/또는 건조가 수행될 수도 있다. 또한, 잔류 전구체 제거를 위하여 선택적으로 초음파 처리가 수반될 수 있다. Next, the first photocatalyst layer may be formed by contacting the previously prepared nanorods/substrate structure with the photocatalyst precursor solution in a manner known in the art (eg, dipping, etc.). At this time, the contact with the nanorod / substrate structure is under elevated temperature conditions, for example, about 70 to 140 ° C. (specifically about 75 to 110 ° C., more specifically about 80 to 95 ° C.), for example, about It may be carried out for 4 to 12 hours (specifically about 5 to 10 hours, more specifically about 5 to 8 hours). Thereafter, optionally washing (specifically, washing with deionized water and/or drying may be performed. In addition, ultrasonic treatment may optionally be accompanied to remove residual precursors.

전술한 제1 광촉매 층의 부착 프로세스는 광 촉매층의 두께를 증가시키고, 적절한 가스 상 내 오염물의 유입 및 유출을 조절할 목적으로 2회 이상 반복할 수 있다. 그 결과, 제1 광촉매 층-나노로드/기재 구조물을 얻을 수 있다. The process of attaching the first photocatalyst layer described above can be repeated two or more times for the purpose of increasing the thickness of the photocatalyst layer and controlling the inflow and outflow of contaminants in the appropriate gas phase. As a result, a first photocatalyst layer-nanorod/substrate structure can be obtained.

한편, 일 구체예에 따르면, 다공성의 제1 광촉매 층 상에 박막 시트 형태의 제2 광촉매 층을 추가적으로 형성하여 제1 광 촉매 층을 피복할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 광촉매 층은 질화탄소(C3N4), 보다 구체적으로 알칼리-개질된 질화탄소(m-C3N4)일 수 있다. Meanwhile, according to one embodiment, a second photocatalyst layer in the form of a thin film sheet may be additionally formed on the porous first photocatalyst layer to cover the first photocatalyst layer. As described above, the second photocatalyst layer may be carbon nitride (C 3 N 4 ), more specifically alkali-modified carbon nitride (mC 3 N 4 ).

일 예로서, 질화탄소는 전구체 화합물의 열 분해를 통하여 형성될 수 있으며, 알칼리-개질된 질화탄소는 열 분해에 의하여 형성된 질화탄소를 액상 매질, 예를 들면 수계 매질 내에 첨가하여 형성된 분산물에 알칼리 성분을 이용하여 개질할 수 있다. 상술한 방식에 따라 얻어진 수계 분산물에 앞서 제조된 제1 광촉매 층-나노로드/기재 구조물을 접촉시켜 제1 광촉매 층 상에 제2 광촉매 층이 형성될 수 있도록 한다.As an example, carbon nitride may be formed through thermal decomposition of a precursor compound, and alkali-modified carbon nitride is alkali-modified in a dispersion formed by adding carbon nitride formed by thermal decomposition into a liquid medium, for example, an aqueous medium. It can be modified using components. The first photocatalyst layer-nanorods/substrate structure prepared previously is brought into contact with the aqueous dispersion obtained according to the above-described method so that the second photocatalyst layer can be formed on the first photocatalyst layer.

예시적 구체예에 따르면, 질화탄소의 전구체는 하기 일반식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the precursor of carbon nitride may be a compound represented by the following general formula (1).

[일반식 1][General formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 식에서, X, Y 및 Z는 상호 같거나 상이하고, 독립적으로 트리아진 고리와 질소 원자를 이용하여 연결된 R1-N-R2이며, In the above formula, X, Y and Z are the same as or different from each other, and are independently R 1 -NR 2 connected to a triazine ring using a nitrogen atom,

이때, R1 및 R2는 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10(구체적으로 탄소수 1 내지 5)의 알킬기, 탄소수 3 내지 10(구체적으로 탄소수 3 내지 5)의 사이클로알킬기, 또는 탄소수 6 내지 10(구체적으로 탄소수 6 내지 8)의 아릴기일 수 있다. 특정 구체예에 있어서, X, Y 및 Z는 모두 같고, 이때 R1 및 R2는 모두 수소일 수 있는 바, 이 경우 유기계 화합물은 멜라민, 트리아진, 벤조트리아졸 등에 해당된다.In this case, R 1 and R 2 are independently hydrogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms (specifically, 1 to 5 carbon atoms), a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms (specifically 3 to 5 carbon atoms), or 6 to 10 carbon atoms (specifically to C6 to C8) may be an aryl group. In a specific embodiment, X, Y and Z are all the same, and in this case, R 1 and R 2 may both be hydrogen. In this case, the organic compound corresponds to melamine, triazine, benzotriazole, and the like.

예시적 구체예에 따르면, 열 분해 반응은, 예를 들면 약 300 내지 700℃, 구체적으로 약 400 내지 600℃, 보다 구체적으로 약 450 내지 550℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있으며, 그 결과 전구체는 질화탄소로 전환된다. 이와 같이, 열분해에 의하여 생성된 질화탄소는 분말 형태로 수계 매질 내에 분산되며, 이때 분산물 중 질화탄소의 함량은, 예를 들면 약 0.01 내지 0.5 mol/L, 구체적으로 약 0.04 내지 0.3 mol/L, 보다 구체적으로 약 0.07 내지 0.2 mol/L 범위일 수 있으나, 이는 예시적으로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the thermal decomposition reaction may be carried out, for example, at a temperature in the range of about 300 to 700 °C, specifically about 400 to 600 °C, more specifically about 450 to 550 °C, so that the precursor is converted to carbon nitride. As such, carbon nitride produced by thermal decomposition is dispersed in an aqueous medium in the form of a powder, and the content of carbon nitride in the dispersion is, for example, about 0.01 to 0.5 mol/L, specifically about 0.04 to 0.3 mol/L , more specifically about 0.07 to 0.2 mol/L, but this may be understood as an example.

또한, 질화탄소 분산물(또는 수분산물)에 개질 목적으로 첨가되는 알칼리 성분은, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있으며, 구체적으로 수산화나트륨(NaOH)을 사용할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 탄화질소 분산물 내 알칼리 성분의 농도는, 예를 들면 약 0.05 내지 0.3 M, 구체적으로 약 0.05 내지 0.2 M, 보다 구체적으로 약 0.05 내지 0.15 M 범위일 수 있다. 알칼리 성분의 농도가 지나치게 낮은 경우에는 질화탄소 입자가 박막 형태로 전환되기 곤란한 반면, 알칼리 성분의 농도가 지나치게 높은 경우에는 질화탄소가 미세한 상태로 존재하여 기저의 제1 광 촉매 층의 다공성 구조를 폐색시킬 수 있다. 따라서, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. In addition, the alkali component added to the carbon nitride dispersion (or water product) for the purpose of reforming may be at least one selected from sodium hydroxide, potassium hydroxide, and the like, and specifically sodium hydroxide (NaOH) may be used. According to an exemplary embodiment, the concentration of the alkali component in the nitrogen carbide dispersion may range, for example, from about 0.05 to 0.3 M, specifically from about 0.05 to 0.2 M, and more specifically from about 0.05 to 0.15 M. When the concentration of the alkali component is too low, it is difficult for the carbon nitride particles to be converted into a thin film form, whereas when the concentration of the alkali component is too high, the carbon nitride exists in a fine state to block the porous structure of the underlying first photocatalyst layer. can do it Accordingly, it may be advantageous to appropriately adjust within the above-described range.

이와 같이 알칼리 개질된 탄화질소 분산물은 공지된 방식(예를 들면, 딥핑 등)을 이용하여 앞서 제조된 제1 광촉매 층-나노로드/기재 구조물과 접촉시켜 제2 광촉매 층을 제1 광촉매 층-나노로드/기재 구조물 상에 형성할 수 있다. 이때, 제2 광촉매 층의 부착 온도는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 약 10 내지 40℃, 구체적으로 약 15 내지 30℃, 보다 구체적으로 약 20 내지 25℃ 범위일 수 있고, 접촉 시간은, 예를 들면 약 10 내지 60 시간, 구체적으로 약 20 내지 48 시간, 보다 구체적으로 약 30 내지 40 시간 범위일 수 있으나, 이는 예시적으로 이해될 수 있다.As such, the alkali-modified nitrogen carbide dispersion is contacted with the previously prepared first photocatalyst layer-nanorods/substrate structure using a known method (eg, dipping, etc.) to form the second photocatalyst layer with the first photocatalyst layer- It can be formed on the nanorod/substrate structure. At this time, the attachment temperature of the second photocatalyst layer is not particularly limited, but may be, for example, about 10 to 40° C., specifically about 15 to 30° C., more specifically about 20 to 25° C., and the contact time is, for example, For example, it may be in the range of about 10 to 60 hours, specifically about 20 to 48 hours, and more specifically about 30 to 40 hours, but this may be understood as an example.

이후, 수득된 구조물을 선택적으로 세척 및/또는 건조 처리하여 광 촉매 필터를 제조할 수 있다.Thereafter, the obtained structure may be selectively washed and/or dried to prepare a photocatalytic filter.

광 촉매 필터를 이용한 가스 상 매질 내 오염물의 제거(가스 정화)Removal of contaminants in gaseous media using photocatalytic filters (gas purification)

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 제조된 광 촉매 필터를 이용하여 가스(구체적으로 실내 또는 실외 대기) 내에 함유된 오염물을 제거할 수 있다. 이때, 오염물은 대기 또는 실내외 분위기(가스 상 매질) 내에 함유 가능한 종류인 한, 특별히 한정되는 것은 아니다. According to another embodiment of the present disclosure, the photocatalytic filter prepared as described above may be used to remove contaminants contained in a gas (specifically, indoor or outdoor atmosphere). At this time, the contaminant is not particularly limited as long as it is a type that can be contained in the air or indoor/outdoor atmosphere (gas phase medium).

예시적 구체예에 따르면, 오염물은 각종 알데히드류, 휘발성 유기화합물(VOC) 등일 수 있는 바, 이러한 오염물의 예시적인 종류는 하기 표 1과 같다.According to an exemplary embodiment, the contaminants may be various aldehydes, volatile organic compounds (VOCs), and the like, and exemplary types of such contaminants are shown in Table 1 below.

오염물contaminant 종류Kinds 알데히드류aldehydes 아세트알데히드acetaldehyde 프로피온알데히드propionaldehyde 부틸알데히드butyraldehyde 이소발렐알데히드 isovarelaldehyde VOCsVOCs 톨루엔toluene 스티렌styrene 벤젠benzene 알코올Alcohol 케톤ketones

상기 예시된 오염물은 실내 또는 실외에서 다양한 소스, 예를 들면 건축물 내에 도포된 각종 화학 물질 등으로부터 기인할 수 있다. 이와 관련하여, 광 촉매 필터는 VOC, 특히 방향족 화합물, 구체적으로 벤젠, 톨루엔 등의 제거에 효과적이다.The contaminants exemplified above may originate from various sources, either indoors or outdoors, for example, various chemicals applied within the building. In this regard, the photocatalytic filter is effective in removing VOCs, particularly aromatic compounds, specifically benzene, toluene, and the like.

한편, 처리 대상 가스 내 오염물의 농도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전형적으로 약 5 내지 20000 μmol·m-3, 보다 전형적으로는 약 100 내지 12000 μmol·m-3 수준일 수 있다. Meanwhile, the concentration of the contaminants in the gas to be treated is not particularly limited, but typically about 5 to 20000 μmol·m −3 , and more typically about 100 to 12000 μmol·m −3 .

또한, 산화 반응 시 수분은 오염물 제거에 필요한 히드록시 라디칼의 소스로 작용하는 바, 이때 처리 대상 가스의 습도(상대 습도(RH))는, 예를 들면 적어도 약 15%, 구체적으로 약 20 내지 70%, 보다 구체적으로 약 30 내지 50% 범위일 수 있다. 이외에도, 광 촉매 산화 반응에 의한 가스 상 매질 내 오염물의 제거 시 반응 온도(평형 온도)는, 예를 들면 약 20 내지 40℃, 구체적으로 약 25 내지 35℃, 보다 구체적으로 약 27 내지 32℃ 범위에서 조절될 수 있으나, 이는 예시적 취지로 이해되며, 타겟 오염물의 종류 등을 고려하여 변경 가능하다. In addition, during the oxidation reaction, moisture acts as a source of hydroxy radicals required for removal of contaminants, and in this case, the humidity (relative humidity (RH)) of the gas to be treated is, for example, at least about 15%, specifically about 20 to 70%. %, more specifically about 30-50%. In addition, the reaction temperature (equilibrium temperature) upon removal of contaminants in the gaseous medium by the photocatalytic oxidation reaction is, for example, in the range of about 20 to 40 °C, specifically about 25 to 35 °C, more specifically about 27 to 32 °C. may be adjusted, but this is understood as an example, and may be changed in consideration of the type of target contaminants and the like.

예시적 구체예에 따르면, 광 촉매 필터에 의한 가스 상 매질 내 오염물의 분해는 자외선 조사 하에서 수행될 수 있는 바, 이때 자외선의 조사 강도는, 예를 들면 약 0.1 mW/㎠ 내지 80 kW/㎠, 구체적으로 약 1 mW/㎠ 내지 10 kW/㎠, 보다 구체적으로 약 10 mW/㎠ 내지 1 kW/㎠ 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 자외선의 조사 강도는 광 촉매 효율에 영향을 주는 주된 요인 중 하나인 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있으나, 이는 가스 내 오염물의 종류, 농도 등에 따라 변화 가능한 만큼, 예시적 의미로 이해될 수 있다. 또한, 조사되는 자외선의 파장은, 예를 들면 약 100 내지 400 nm, 구체적으로 약 180 내지 320 nm, 보다 구체적으로 약 230 내지 280 nm 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the decomposition of contaminants in the gaseous medium by the photocatalytic filter may be performed under ultraviolet irradiation, wherein the irradiation intensity of ultraviolet light is, for example, about 0.1 mW/cm 2 to 80 kW/cm 2, Specifically, it may be in a range of about 1 mW/cm 2 to 10 kW/cm 2 , more specifically about 10 mW/cm 2 to 1 kW/cm 2 . In this regard, as the irradiation intensity of ultraviolet light is one of the main factors affecting the photocatalytic efficiency, it may be advantageous to appropriately control it within the above-mentioned range, but as much as it can be changed according to the type, concentration, etc. of contaminants in the gas, It can be understood in an exemplary sense. In addition, the wavelength of the irradiated ultraviolet rays may be, for example, about 100 to 400 nm, specifically about 180 to 320 nm, more specifically about 230 to 280 nm.

예시적 구체예에 따르면, 자외선 소스는 무전극식 자외선 램프일 수 있는 바, 무전극식 자외선 램프는 진공관의 내부에 전극을 형성하지 않고 외부에서 고주파를 조사시킴으로써 자외선이 방출되는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 진공관 내부에 충전된 수은, 아르곤 등의 가스 상 분자가 여기되어 방전을 일으켜 자외선을 방사하는 방식일 수 있다. 구체적으로, 자외선 램프는 UV LED 타입일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the UV source may be an electrodeless UV lamp. The electrodeless UV lamp uses the principle that UV light is emitted by irradiating a high frequency from the outside without forming an electrode inside the vacuum tube. That is, it may be a method in which gaseous molecules such as mercury and argon charged inside the vacuum tube are excited to cause a discharge to emit ultraviolet rays. Specifically, the UV lamp may be a UV LED type.

예시적 구체예에 따르면, 오염물이 함유된 가스와 광 촉매 필터의 접촉 온도는, 예를 들면 약 4 내지 40 ℃, 구체적으로 약 10 내지 35 ℃, 보다 구체적으로 약 15 내지 30 ℃ 범위일 수 있는 바, 촉매 반응 온도는 오염물의 종류에 따라 변경될 수 있기 때문에 전술한 범위는 예시적 목적으로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the contact temperature of the contaminant-containing gas and the photocatalytic filter may be, for example, in the range of about 4 to 40 °C, specifically about 10 to 35 °C, more specifically about 15 to 30 °C. Since the catalytic reaction temperature may be changed depending on the type of contaminant, the above-described range may be understood for illustrative purposes.

광 촉매 필터는 스트랜드 형태의 기재 또는 이러한 기재의 조합 구조에 에 따라 다양한 형상, 예를 들면 플레이트, 메시, 튜브 등과 같은 형상의 구조물일 수 있는 바, 보다 구체적으로는 메쉬 형태로 적용될 수 있다. The photocatalytic filter may have various shapes, for example, a structure having a shape such as a plate, a mesh, a tube, etc., according to a strand-type substrate or a combination structure of such substrates, and more specifically, may be applied in a mesh form.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다. The present invention may be more clearly understood by the following examples, which are only for illustrative purposes of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예Example

본 실시예에서 사용된 물질은 하기와 같다.Materials used in this example are as follows.

아세트산아연·2수화물(99%), 질산니켈·6수화물(99%), 몰리브덴산 나트륨·2수화물(99%), 헥사메틸렌테트라아민C6H12N4, 99%), 우레아(NH2CONH2, 99.5%), EDTA(C10H16N2O8, 99.9%), 멜라민(C3H6N6, 99%), 벤조퀴논(BQ, C6H4O2, 98%), TBA(CH3)3COH, 99.5%), DMSO((CH3)2SO, 99.5%), 및 아지드화나트륨(NaN3, 99%) 각각은 Sigma Aldrich (USA)로부터 구입하였다.Zinc acetate dihydrate (99%), nickel nitrate hexahydrate (99%), sodium molybdate dihydrate (99%), hexamethylenetetraamine C 6 H 12 N 4 , 99%), urea (NH 2 CONH 2 , 99.5%), EDTA (C 10 H 16 N 2 O 8 , 99.9%), melamine (C 3 H 6 N 6 , 99%), benzoquinone (BQ, C 6 H 4 O 2 , 98%) , TBA(CH 3 ) 3 COH, 99.5%), DMSO ((CH 3 ) 2 SO, 99.5%), and sodium azide (NaN 3 , 99%) were each purchased from Sigma Aldrich (USA).

광 촉매 필터의 제조방법Manufacturing method of photocatalytic filter

도 2에 본 실시예에 따른 광 촉매 필터의 제조방법을 단계 별로 나타내었다.FIG. 2 shows the method of manufacturing the photocatalytic filter according to the present embodiment step by step.

- ZnO@SSM의 합성(Step I)- Synthesis of ZnO@SSM (Step I)

6 × 8 ㎝의 SSM(stainless steel mesh)를 에탄올/물(1:1) 용액 내에서 초음파 조사 하에 30분에 걸쳐 세척하였다. 아세트산아연을 탈이온수에 용해시켜 15 mmol/L 농도의 용액을 제조하였다. SSM 기재를 아세트산아연 용액에 딥핑하였고, 알루미늄 포일로 덮었다. 용액을 60℃의 오븐 내에서 승온시켰고, 6 시간 후에 초음파 세척, 오븐 내 건조 및 400℃에서 4 시간에 걸친 하소를 통하여 ZnO 시드 층이 SSM 상에 형성되었다. 아세트산아연(25 mmol·L-1), HMTA(20 mmol·L-1), 및 우레아(30 mmol·L-1)를 120 mL 탈이온수에 용해시켜 ZnO 나노로드의 전구체 용액을 제조하였다. ZnO 시드층이 형성된 SSM 기재와 함께 전구체 용액을 테플론-라이닝된 오토클레이브로 이송하였다. ZnO 나노로드가 균일하게 성장되도록 120℃로 유지되는 로 내에서 6 시간동안 오토클레이브를 승온시켰다. ZnO@SSM를 탈이온수 및 에탄올로 세척하였고(각각 2회), 하룻밤 동안 60℃에서 건조시켰다.A 6 × 8 cm SSM (stainless steel mesh) was washed over 30 minutes under ultrasonic irradiation in an ethanol/water (1:1) solution. A solution of 15 mmol/L concentration was prepared by dissolving zinc acetate in deionized water. The SSM substrate was dipped in zinc acetate solution and covered with aluminum foil. The solution was heated in an oven at 60° C., and after 6 hours, a ZnO seed layer was formed on the SSM through ultrasonic cleaning, drying in an oven and calcination at 400° C. for 4 hours. A precursor solution of ZnO nanorods was prepared by dissolving zinc acetate (25 mmol·L -1 ), HMTA (20 mmol·L -1 ), and urea (30 mmol·L -1 ) in 120 mL deionized water. The precursor solution was transferred to a Teflon-lined autoclave along with the SSM substrate on which the ZnO seed layer was formed. The autoclave was heated for 6 hours in a furnace maintained at 120° C. so that the ZnO nanorods were uniformly grown. ZnO@SSM was washed with deionized water and ethanol (twice each) and dried at 60° C. overnight.

- ZnO@SSM에서 NiMoO4 층의 합성(단계 II) - Synthesis of NiMoO 4 Layers in ZnO@SSM (Step II)

질산니켈(10 mmol·L-1), 몰리브덴산 나트륨(10 mmol·L-1), 및 우레아(40 mmol·L-1)를 500 mL 탈이온수에 용해시켜 NiMoO4 합성용 전구체 용액을 제조하였다. ZnO@SSM을 용액이 함유된 비이커 내에서 수직으로 매달았고, 알루미늄 포일로 덮었으며, 그리고 80℃에서 8 시간 동안 승온시켰다. 8 시간 후에 수득된 ZnO/NiMoO4@SSM(ZN@SSM)를 탈이온수로 완전히 세척하였고, 10분 동안 초음파처리하여 표면에 느슨하게 부착되어 있는 NiMoO4를 제거하였다. NiMoO4 부착 프로세스를 반복하여 2중 층 및 3중 층을 갖는 ZN@SSM 기재를 제조하였다. Nickel nitrate (10 mmol·L -1 ), sodium molybdate (10 mmol·L -1 ), and urea (40 mmol·L -1 ) were dissolved in 500 mL deionized water to prepare a precursor solution for NiMoO 4 synthesis . ZnO@SSM was suspended vertically in a beaker containing the solution, covered with aluminum foil, and heated at 80° C. for 8 hours. After 8 hours, the obtained ZnO/NiMoO 4 @SSM (ZN@SSM) was thoroughly washed with deionized water and sonicated for 10 minutes to remove NiMoO 4 loosely attached to the surface. The NiMoO 4 deposition process was repeated to prepare ZN@SSM substrates with double and triple layers.

- m-C3N4 및 ZnO/NiMoO4/C3N4@SSM의 합성(단계 III)- Synthesis of mC 3 N 4 and ZnO/NiMoO 4 /C 3 N 4 @SSM (Step III)

커버를 구비한 알루미나 도가니 내에서 멜라민을 500℃에서 4 시간 동안 열분해시켜 C3N4를 제조하였다. 가열 후 수득된 C3N4을 아게이트 몰탈(agate mortar) 내에서 그라인딩하였다. 초음파 조사를 2 시간 수행하면서 C3N4를 100 mL 물에 분산시켜 C3N4 서스펜션(0.1 mol·L-1)을 제조하였고, 이에 수산화나트륨을 용해시켜 테플론-라이닝된 오토클레이브로 이송하여 180℃에서 12 시간 동안 가열하였다. 원심분리에 의하여 m-C3N4를 분리하였고, 물 및 에탄올로 세척하였으며 알루미늄 포일로 덮어 상온에서 36 시간 동안 유지하였다. ZNC@SSM를 물 및 에탄올로 세척하였고 오븐 내에서 건조시켰다. C 3 N 4 was prepared by thermally decomposing melamine at 500° C. for 4 hours in an alumina crucible equipped with a cover. C 3 N 4 obtained after heating was ground in an agate mortar. While performing ultrasonic irradiation for 2 hours, C 3 N 4 was dispersed in 100 mL of water to prepare a C 3 N 4 suspension (0.1 mol·L -1 ), and sodium hydroxide was dissolved therein and transferred to a Teflon-lined autoclave. Heated at 180° C. for 12 hours. mC 3 N 4 was separated by centrifugation, washed with water and ethanol, covered with aluminum foil, and maintained at room temperature for 36 hours. ZNC@SSM was washed with water and ethanol and dried in an oven.

특성화characterization

촉매의 결정 구조를 XRD(Rigaku D/MAXRINT 000, Japan)에 의하여 분석하였다. 이때 X-선 소스로서 45 kV 및 100 mA의 Cu Kα 조사를 사용하였다. 200 kV의 가속 전압 조건에서 SEM(Nova NanoSEM 450, FEI-Thermo Fisher Scientific, USA) 및 TEM(JEM-2010, Jeol, Japan)을 사용하였다. 원소 산화 상태는 XPS(K-alpha, Thermo Electron, USA)를 이용하여 측정하였다. 촉매의 광 수집 전위를 측정하기 위하여 UV-vis diffuse reflectance spectroscopy (Lambda 750S, PerkinElmer, USA)를 사용하였다. The crystal structure of the catalyst was analyzed by XRD (Rigaku D/MAXRINT 000, Japan). In this case, Cu Kα irradiation of 45 kV and 100 mA was used as an X-ray source. SEM (Nova NanoSEM 450, FEI-Thermo Fisher Scientific, USA) and TEM (JEM-2010, Jeol, Japan) were used under the condition of an accelerating voltage of 200 kV. The elemental oxidation state was measured using XPS (K-alpha, Thermo Electron, USA). UV-vis diffuse reflectance spectroscopy (Lambda 750S, PerkinElmer, USA) was used to measure the light collection potential of the catalyst.

성능 평가performance evaluation

흡착 실험은 암 조건 하의 밀폐된 글라스 챔버(1.9 L, 30 cm × 45 cm) 내에서 수행되었다. 톨루엔 표준 가스(순수 N2 내 40000 μmol·m-3)를 이용하여 5L 알루미늄 백 내 순수 공기 중 4000 μmol·m-3의 톨루엔 혼합물을 제조하였다. 글라스 챔버를 순수 공기로 10분 동안 플러싱하여 글라스 벽에 부착된 임의의 오염물을 제거하였다. ZNC@SSM (10 × 15 cm)를 반응기에 배치하였고, 톨루엔 (4000 μmol·m-3)을 첨가하였다. 고정된 시간 간격 이후, 가스 밀폐 시린지를 이용하여 샘플 포트로부터 100 μL 테스트 샘플을 꺼내어 MS 검출기가 구비된 GC에 의하여 분석하였다. 글라스 챔버 내에 톨루엔이 흡착된 ZNC@SSM을 위치시켜 탈착 실험을 수행하였다. Agilent DB-5ms 컬럼(30 m × 250 μm × 0.25 μm)이 구비된 5975C 시리즈 질량 스펙트로미터(MS)를 이용하여 Agilent 7890A 가스 크로마토그래피(GC) 상에서 테스트 샘플을 분석함으로써 글라스 챔버 내부의 톨루엔 농도 증가를 모니터링하였다. 캐리어 가스로서 1.0 mL·min-1 유속의 헬륨을 사용하였다. 인젝터 및 오븐 온도는 각각 300℃ 및 140℃로 유지하였다. Adsorption experiments were performed in a closed glass chamber (1.9 L, 30 cm × 45 cm) under dark conditions. A toluene mixture of 4000 μmol·m −3 in pure air in a 5L aluminum bag was prepared using toluene standard gas (40000 μmol·m −3 in pure N 2 ). The glass chamber was flushed with pure air for 10 minutes to remove any contaminants adhering to the glass walls. ZNC@SSM (10×15 cm) was placed in the reactor and toluene (4000 μmol·m −3 ) was added. After a fixed time interval, a 100 μL test sample was withdrawn from the sample port using a gas-tight syringe and analyzed by a GC equipped with an MS detector. A desorption experiment was performed by placing ZNC@SSM to which toluene was adsorbed in a glass chamber. Increasing the toluene concentration inside the glass chamber by analyzing test samples on an Agilent 7890A gas chromatography (GC) using a 5975C Series Mass Spectrometer (MS) equipped with an Agilent DB-5ms column (30 m × 250 μm × 0.25 μm) was monitored. Helium at a flow rate of 1.0 mL·min −1 was used as the carrier gas. The injector and oven temperatures were maintained at 300°C and 140°C, respectively.

광촉매 분해 반응은 반응기 중앙에 UV 램프(8 W, Philips, inside quartz sleeve)가 구비된 (1.9 L, 30 cm × 45 cm) 글라스 반응기 내에서 수행하였다. 8개의 환형 조각(직경: 9㎝)의 촉매 필터를 각각의 광 촉매 반응 실험에 사용하였다. 테플론-코팅된 환형 스테인리스 스틸 스탠드를 사용하여 반응기 내부의 에어 필터를 지지하였다. 실험을 시작하기 전에 글라스 반응기는 4000 μmol·m-3 톨루엔(공기 혼합물) 20L로 플러싱하여 흡착-탈착 평형을 달성하였다. 플러싱 후, 반응기를 밀봉하였고, 램프를 작동시켰다. 샘플 포트로부터 테스트 샘플을 수집하여 GC/MS 상에서 분석하였다. The photocatalytic decomposition reaction was performed in a (1.9 L, 30 cm × 45 cm) glass reactor equipped with a UV lamp (8 W, Philips, inside quartz sleeve) in the center of the reactor. A catalyst filter of 8 annular pieces (diameter: 9 cm) was used for each photocatalytic reaction experiment. A Teflon-coated annular stainless steel stand was used to support the air filter inside the reactor. Before starting the experiment, the glass reactor was flushed with 4000 μmol·m −3 toluene (air mixture) 20L to achieve adsorption-desorption equilibrium. After flushing, the reactor was sealed and the lamp turned on. Test samples were collected from the sample port and analyzed on GC/MS.

결과 및 토의Results and discussion

도 2를 참조하면, 단계 I에서 ZnO 시드 층이 초음파 조사에 의하여 세척된 SSM 기재에 부착되었고, 에어 포켓의 1차적인 빌딩 블록을 형성하는 ZnO 나노로드는 수열합성법에 의하여 SSM 상에서 성장하였다. 이때, ZnO-나노로드@SSM (Z@SSM)은 방사형으로 배치되어 있고, NiMoO4의 다공성 피복 층은 습식 화학 프로세스를 이용하여 ZnO 나노로드 상에 형성되어 있다(ZN@SSM). 이와 같이 낮은 온도에서 수행된 방법은 나노로드에 최소한의 손상만을 야기한다. 단계 II의 경우, 촉매 표면을 가로지르는 가스 교환을 개선하는 NiMoO4 두께를 달성하도록 반복하였다. Referring to FIG. 2 , in step I, a ZnO seed layer was attached to the cleaned SSM substrate by ultrasonic irradiation, and ZnO nanorods forming the primary building block of air pockets were grown on the SSM by hydrothermal synthesis. In this case, ZnO-nanorods@SSM (Z@SSM) are radially arranged, and a porous coating layer of NiMoO 4 is formed on the ZnO nanorods by using a wet chemical process (ZN@SSM). The method performed at such a low temperature causes only minimal damage to the nanorods. For step II, it was repeated to achieve a NiMoO 4 thickness that improved gas exchange across the catalyst surface.

멜라민 전구체의 열 분해를 통하여 C3N4를 합성하였고, C3N4의 고온 알칼리 처리를 통하여 미세한 박막 시트로 전환되었으며, m-C3N4 서스펜션으로부터 ZN@SSM으로 부착되었다. ZNC@SSM의 최종 어셈블리 및 구조는 도 2에 도시된 바와 같다(단계 III). C 3 N 4 was synthesized through thermal decomposition of the melamine precursor, and converted into a fine thin film sheet through high-temperature alkali treatment of C 3 N 4 , and was attached to ZN@SSM from mC 3 N 4 suspension. The final assembly and structure of the ZNC@SSM is as shown in Fig. 2 (Step III).

- SEM, TEM 및 EDS 맵핑- SEM, TEM and EDS mapping

ZN@SSM 나노구조의 단계별 성장 및 어셈블리는 SEM, TEM 및 EDS 맵핑을 이용하여 확인하였다. 도 3a에서는 1×1 평직(plain weave) 구조의 SSM(정사각형 홀 사이즈: 120㎛)을 도시한다. SSM 내 작은 포어는 촉매와 가스 분자 간 최대한의 상호작용을 유지시키고, 또한 하소 과정에서 평활한 공기 흐름을 허용할 정도로 충분히 크다. 단일 SSM 스트랜드의 직경은 50 ± 1 μm이었다(Fig. 3b). ZnO 나노로드는 SSM 표면을 따라 균일하게 성장하였다(Fig. 3d). ZnO 시드층이 ZnO 나노로드 성장에 중대한 영향을 미치는 점이 관찰되었는 바, 시드층이 형성된 SSM 기재에서는 ZnO 나노로드가 균일한 간격을 두고 수직 성장하였다(Fig. 3d 및 3e). 시드 층의 부존재 하에서, ZnO 나노로드는 SSM를 불충분하게 피복하였다(Fig. 4a 및 4b). ZnO 나노로드는 500 ± 50 nm의 평균 길이를 갖는 코니칼(conical) 형상을 나타내었다. 하단 및 상단 직경 각각은 100 ± 10 nm 및 50 ± 10 nm이었다(도 3f). 단계 II의 종료 시점에서 ZN@SSM 촉매를 도 3g에 나타내었다. Step-by-step growth and assembly of ZN@SSM nanostructures were confirmed using SEM, TEM and EDS mapping. FIG. 3A shows an SSM (square hole size: 120 μm) of a 1×1 plain weave structure. The small pores in the SSM are large enough to maintain maximal interaction between the catalyst and gas molecules, and also to allow for smooth airflow during the calcination process. The diameter of the single SSM strand was 50 ± 1 μm (Fig. 3b). ZnO nanorods were uniformly grown along the SSM surface (Fig. 3d). As it was observed that the ZnO seed layer had a significant effect on the growth of ZnO nanorods, ZnO nanorods grew vertically at uniform intervals on the SSM substrate with the seed layer formed (Fig. 3d and 3e). In the absence of the seed layer, the ZnO nanorods insufficiently covered the SSM (Fig. 4a and 4b). The ZnO nanorods exhibited a conical shape with an average length of 500 ± 50 nm. The bottom and top diameters were 100±10 nm and 50±10 nm, respectively ( FIG. 3f ). The ZN@SSM catalyst at the end of stage II is shown in Figure 3g.

NiMoO4는 6방형 박막 플레이트 형태로 ZnO 나노로드의 상층에 꽃잎 형상으로 성장하였다(도 3h). TEM 결과는 NiMoO4 꽃잎(fetal)의 평균 사이즈가 약 300 ± 50 nm임을 보여준다(Fig. 4c). NiMoO4 층 두께는 ZNC@SSM 촉매의 흡착 능에 영향을 미치며, 단계 II를 2회 반복함으로써 최적 두께가 달성되었고, 그 결과 550 ± 50 nm 두께의 NiMoO4 층이 형성되었다(Fig. 4e). 도 3i는 단계 III 이후 ZNC@SSM의 평면을 보여준다. C3N4의 알칼리 처리에 의하여 벌크 구조가 균일한 박막 시트로 변화하였다. m-C3N4은 NiMoO4 꽃잎을 균일하게 둘러싸는 한편(도 3i), 처리되지 않은 C3N4은 랜덤 방식으로 부착되었다(도 4f). C3N4 시트의 박막 유사 구조는 0.1 M까지 NaOH 농도 증가에 따라 개선되었다. 0.2 M NaOH에서는 매우 민감한 시트 구조가 형성되었으나, 다공성 NiMoO4 층은 폐색되었다(도 4g). 0.1 M NaOH를 이용하여 벌크 상태의 C3N4에 대하여 알칼리 처리를 수행함으로써 최대 톨루엔 흡수를 달성하였다. EDS 맵핑 결과는 ZNC@SSM 내에서의 조성 및 공간 분포를 보여준다(도 3j 내지 도 3o). 모든 필수적인 원소가 ZNC@SSM에 존재하였다. NiMoO4 층 상에 m-C3N4 시트 역시 확인되었다(도 3n 및 도 3o). NiMoO 4 was grown in the shape of a petal on the upper layer of the ZnO nanorods in the form of a hexagonal thin plate (FIG. 3h). The TEM result shows that the average size of NiMoO 4 petals is about 300 ± 50 nm (Fig. 4c). The NiMoO 4 layer thickness affects the adsorption capacity of the ZNC@SSM catalyst, and the optimum thickness was achieved by repeating step II twice, resulting in the formation of a 550 ± 50 nm thick NiMoO 4 layer (Fig. 4e). Figure 3i shows the plane of ZNC@SSM after step III. By alkali treatment of C 3 N 4 , the bulk structure was changed to a uniform thin film sheet. mC 3 N 4 uniformly surrounded the NiMoO 4 petals (Fig. 3i), while untreated C 3 N 4 was attached in a random manner (Fig. 4f). The thin film-like structure of the C 3 N 4 sheet was improved with increasing NaOH concentration up to 0.1 M. At 0.2 M NaOH, a very sensitive sheet structure was formed, but the porous NiMoO 4 layer was occluded (Fig. 4g). Maximum toluene absorption was achieved by performing alkali treatment on C 3 N 4 in the bulk state using 0.1 M NaOH. EDS mapping results show compositional and spatial distribution within ZNC@SSM ( FIGS. 3J to 3O ). All essential elements were present in ZNC@SSM. mC 3 N 4 sheets on the NiMoO 4 layer were also identified ( FIGS. 3n and 3o ).

- XRD 분석- XRD analysis

SSM 상의 결정 구조 및 촉매 성장은 XRD를 이용하여 특성화하였다(도 5). Z@SSM의 회절 패턴에 따르면, 31.7°, 34.9°, 및 36.4°에서 3개의 주된 피크가 관찰되었는데, 이는 (100), (0002), 및 (101) Miller-Bravais 플레인(JCPDS no. 36-1451)에 대응하였다. ZnO 나노로드의 불규칙적 배향은 34.9°에서의 피크 강도를 저감시킨다. 도 5a에 있어서, 34.9°에서의 강한 회절 시그널은 ZnO 나노로드의 성장이 시드 층 내 핵으로부터 시작하여 [002] 방향으로 수직 전파됨을 지시한다(도 5b). 나노로드의 랜덤 배향은 시드 층의 부존재 하에서 일어나며(도 5c), 34.9ㅊ에서의 높은 피크 강도는 (0002) 면의 전파로 인한 6방형 팁을 갖는 나노로드가 형성됨을 지시한다(도 5d). The crystal structure and catalytic growth of the SSM phase were characterized using XRD (Fig. 5). According to the diffraction pattern of Z@SSM, three main peaks were observed at 31.7°, 34.9°, and 36.4°, which are (100), (0002), and (101) Miller-Bravais planes (JCPDS no. 36- 1451). The irregular orientation of the ZnO nanorods reduces the peak intensity at 34.9°. In Fig. 5a, the strong diffraction signal at 34.9° indicates that the growth of ZnO nanorods starts from the nucleus in the seed layer and propagates vertically in the [002] direction (Fig. 5b). The random orientation of the nanorods occurs in the absence of a seed layer (Fig. 5c), and the high peak intensity at 34.9°C indicates that the nanorods with hexagonal tips are formed due to propagation of the (0002) plane (Fig. 5d).

SEM 분석 시, 뾰족한 형상의 나노로드 역시 관찰되었는 바, 이는 (003) 면(JCPDS no. 33-0948)으로부터 기인한 것이다. N@SSM에서 관찰된 NiMoO4의 회절 패턴은 ZNC@SSM에서와는 상이하였다. N@SSM 내 50.7° 및 74.3°에서의 2가지 주된 피크가 ZNC@SSM에서는 존재하지 않았다. 이러한 불일치는 NiMoO4의 성장이 SSM(N@SSM) 및 ZnO 나노로드(ZNC@SSM) 상에서 다르게 일어남을 시사한다. SSM 상에서 NiMoO4가 직접 성장함으로써 섬유상의 확산 엣지(fibrous diffused edges)를 갖는 꽃-유사 플레이트가 형성되었다. 50.7° 및 74.3°에서의 외생(extraneous) 피크는 니들과 유사한 섬유로부터 기인한 것으로, 앞서 NiMoO4 나노로드에서 관찰된 바 있다. ZNC@SSM 내 ZnO 상에서 성장된 NiMoO4 내에서의 날카롭고 잘 정의된 엣지가 섬유상 엣지를 대체하였다(도 5g). 50.7° 및 74.3°에서의 피크는 NiMoO4 플레이트의 엣지에서 나노니들과 유사한 구조가 존재하지 않기 때문에 ZNC@SSM에서는 사라졌다. m-C3N4는 27.6°에서 넓은 피크를 나타내었으며, 이는 다공성의 비정질 구조가 형성됨을 뒷받침한다. m-C3N4 피크 시그널은 비정질 및 박막 시트와 유사한 구조로 인하여 ZNC@SSM 스펙트럼에서는 특정될 수 없었다. ZnO 및 NiMoO4의 주된 피크는 ZNC@SSM의 회절 패턴에서 나타났다(도 5a). 전체적으로, XRD 결과는 촉매 성분의 구조적 진화와 관련하여 보다 양호한 인식을 위한 형태학적 결과를 제공한다.In the SEM analysis, a sharp-shaped nanorod was also observed, which is attributed to the (003) plane (JCPDS no. 33-0948). The diffraction pattern of NiMoO 4 observed in N@SSM was different from that in ZNC@SSM. The two main peaks at 50.7° and 74.3° in N@SSM were absent in ZNC@SSM. This discrepancy suggests that the growth of NiMoO 4 occurs differently on SSM (N@SSM) and ZnO nanorods (ZNC@SSM). Direct growth of NiMoO 4 on SSM formed flower-like plates with fibrous diffused edges. The extraneous peaks at 50.7° and 74.3° originate from needle-like fibers, which were previously observed in NiMoO 4 nanorods. A sharp, well-defined edge in NiMoO 4 grown on ZnO in ZNC@SSM replaced the fibrous edge (Fig. 5g). The peaks at 50.7° and 74.3° disappeared in ZNC@SSM because there was no nanoneedle-like structure at the edge of the NiMoO 4 plate. mC 3 N 4 showed a broad peak at 27.6°, which supports the formation of a porous amorphous structure. mC 3 N 4 The peak signal could not be specified in the ZNC@SSM spectrum due to the amorphous and thin sheet-like structure. The main peaks of ZnO and NiMoO 4 appeared in the diffraction pattern of ZNC@SSM (Fig. 5a). Overall, the XRD results provide morphological results for better recognition with respect to the structural evolution of catalyst components.

- XPS 분석- XPS analysis

SSM 상의 ZnO 시드 층의 성장을 XPS 분석에 의하여 확인하였다(도 6a). 모든 촉매의 Zn 2p 스펙트럼은 1022.5 eV 및 1045 eV에서 바인딩 에너지 피크를 나타내었다. 이러한 피크 위치는 Zn2+ 산화 상태에 상당하며, 이는 금속 산화물 형태(ZnO)와 매칭된다. 도 6b에서 각각의 위성 피크와 함께 856 eV 및 874 eV에서의 2개의 피크는 Ni2+ 종과 관련되어 있다. 몰리브덴은 Mo6+ 상태로 존재하였다(도 6c). Ni 및 Mo의 금속 형태와 관련된 피크 각각은 Ni 2p 및 Mo 3d 스펙트럼에서는 관찰되지 않았다. 도 6d에 있어서 C 1s 스펙트럼은 2개의 구별되는 바인딩 에너지 피크를 나타내었다. 285 eV 주변의 넓은 시그널은 C-C 및 C-O 결합으로부터 기인한 것이다. 288 eV에서의 피크는 C=N, C≡N, 및 N-C=N 내 질소 원자와 결합된 sp2 혼성 탄소 원자 때문일 수 있다. 288 eV에서의 피크 강도는 수열 알칼리 처리 후에 증가하였는 바, 이는 C3N4 매트릭스 내 그래파이트 도메인이 개선되었음을 지시한다. 개선된 그래파이트는 촉매의 전자 전도도에 유리하다. 도 6e와 관련하여, 530 eV에서의 피크는 금속 원자에 결합된 산소의 특성값이다(ZnO 및 NiMoO6). 531.5 eV와 532.5 eV 사이의 추가 피크는 촉매 구조 내에 C3N4 혼입 후에 관찰되었다. 이러한 피크는 C3N4 표면 상의 C=O/C-O기로부터 기인한 것이다. 촉매의 광 흡수능은 DRS(diffuse reflectance spectroscopy)를 이용하여 관찰하였다. ZnO, NiMoO4, 및 C3N4는 UV 영역에서 우수한 광 흡수능을 나타내었다(도 6f). 가시 광 흡수는 NiMoO4, 및 C3N4에 의하여 나타났다. ZNC@SSM의 광 흡수 범위는 약간 개선되기는 하였으나, 이의 구성 성분과 유사하였다. Tauq 식 및 Kubelka-Munk 함수를 이용하여 밴드 갭 에너지를 결정하였다. 전도 대 및 가전자 대의 엣지 위치는 UPS(ultraviolet photoelectron spectroscopy)로부터 산출하였다. 밴드 갭 에너지 및 밴드 엣지 위치를 도 6h 및 하기 표 2에 나타내었다.The growth of the ZnO seed layer on the SSM was confirmed by XPS analysis (Fig. 6a). Zn 2p spectra of all catalysts showed binding energy peaks at 1022.5 eV and 1045 eV. This peak position corresponds to the Zn 2+ oxidation state, which is consistent with the metal oxide form (ZnO). The two peaks at 856 eV and 874 eV along with the respective satellite peaks in FIG. 6b are associated with Ni 2+ species. Molybdenum was present in the Mo 6+ state (FIG. 6c). The peaks related to the metallic forms of Ni and Mo, respectively, were not observed in the Ni 2p and Mo 3d spectra. The C 1s spectrum in FIG. 6d showed two distinct binding energy peaks. The broad signal around 285 eV is from CC and CO binding. The peak at 288 eV may be due to sp 2 hybridized carbon atoms bonded to nitrogen atoms in C=N, C≡N, and NC=N. The peak intensity at 288 eV increased after hydrothermal alkali treatment, indicating that the graphite domain in the C 3 N 4 matrix was improved. The improved graphite is beneficial for the electronic conductivity of the catalyst. 6e, the peak at 530 eV is a characteristic value of oxygen bound to a metal atom (ZnO and NiMoO 6 ). An additional peak between 531.5 eV and 532.5 eV was observed after C 3 N 4 incorporation into the catalyst structure. These peaks are from C=O/CO groups on the C 3 N 4 surface. The light absorption capacity of the catalyst was observed using DRS (diffuse reflectance spectroscopy). ZnO, NiMoO 4 , and C 3 N 4 exhibited excellent light absorption in the UV region ( FIG. 6f ). Visible light absorption was indicated by NiMoO 4 , and C 3 N 4 . The light absorption range of ZNC@SSM was similar to its constituents, although slightly improved. The band gap energy was determined using the Tauq equation and the Kubelka-Munk function. Edge positions of conduction and valence bands were calculated from ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). The band gap energy and band edge position are shown in FIG. 6H and Table 2 below.



No.


No.
촉매catalyst 밴드 갭
(eV)
band gap
(eV)
전도대
(eV)
conduction band
(eV)
가전자대
(eV)
home appliance stand
(eV)
1One ZnOZnO 3.13.1 -0.17-0.17 2.932.93 22 NiMoO4 NiMoO 4 2.542.54 0.160.16 2.702.70 33 C3N4 C 3 N 4 2.692.69 -1.14-1.14 1.541.54

- 성능 평가- Performance evaluation

광반응 전 VOC의 완만한 흡착이 바람직한 분해 반응속도를 유지하는데 필수적이다. 촉매로의 가스 상 톨루엔(순수 공기 내 4000 μmol·m-3의 톨루엔) 흡착 속도론에 대한 실험은 밀폐된 글라스 챔버에서 수행되었다. 글라스 벽 상에서의 톨루엔 흡착은 블랭크 테스트에서 무시할 수 있는 정도이었다. 도 7a에 따르면, SSM 및 N@SSM의 무기 표면 상에서의 톨루엔 흡착은 1 μmol·m-2 미만이었는 바, 이는 유기 분자 종에 대한 낮은 친화성과 부합되었다. 반면, 무기 성분인 ZnO는 SSM 및 N@SSM에 비하여 2배 높은 흡착능을 나타내었다. ZnO로의 우수한 톨루엔 흡착은 화학흡착된 산소 종과 관련이 있으며, 이는 높은 전자 친화성으로 인하여 ZnO로부터 전자를 끌어당긴다.The gentle adsorption of VOCs before the photoreaction is essential to maintain a desirable decomposition reaction rate. Experiments on the kinetics of gaseous toluene (4000 μmol·m −3 of toluene in pure air) adsorption onto the catalyst were carried out in a closed glass chamber. Toluene adsorption on the glass wall was negligible in the blank test. According to FIG. 7a , the toluene adsorption on inorganic surfaces of SSM and N@SSM was less than 1 μmol·m −2 , which was consistent with low affinity for organic molecular species. On the other hand, ZnO, an inorganic component, exhibited twice the adsorption capacity compared to SSM and N@SSM. The good toluene adsorption to ZnO is related to chemisorbed oxygen species, which attract electrons from ZnO due to their high electron affinity.

전자 밀도의 감소는 ZnO 표면 근처에서 고갈된 층(depleted layer)을 생성한다. 환원 가스(예를 들면, π-전자 시스템을 갖는 톨루엔, 벤젠 및 이들의 유도체)는 ZnO 내 고갈된 층에 의하여 산화에 민감하다. 산화 반응은 2단계의 간접 방식으로 진행된다: (i) 가스 분자가 흡착된 산소 종(O2 -, O-, 및 O2-)과 반응하고, 그리고 (ii) 산소가 톨루엔 분자로부터 전자를 가져와서 앞서 포획된 전자를 ZnO로 방출한다. 이러한 메커니즘을 확인하기 위하여, 아르곤 내에 희석된 톨루엔(4000 μmol·m-3)을 이용하여 흡착 실험을 수행하였다. 흡착 실험에 앞서 Z@SSM 촉매를 구비한 글라스 챔버를 질소로 15분 동안 플러싱하여 ZnO 표면 상에 흡착된 산소 대부분을 제거하였다. 산소 부존재 하에서의 톨루엔 흡착은 0.8 μmol·m-2으로 감소하였는데, 이는 제안된 톨루엔 흡착 메커니즘을 뒷받침한다.The decrease in electron density creates a depleted layer near the ZnO surface. Reducing gases (eg toluene with a π-electron system, benzene and their derivatives) are susceptible to oxidation due to the depleted layer in ZnO. The oxidation reaction proceeds in a two-step indirect manner: (i) gas molecules react with adsorbed oxygen species (O 2 , O , and O 2 − ), and (ii) oxygen transfers electrons from toluene molecules. and release the previously captured electrons into the ZnO. In order to confirm this mechanism, an adsorption experiment was performed using toluene (4000 μmol·m −3 ) diluted in argon. Prior to the adsorption experiment, the glass chamber equipped with the Z@SSM catalyst was flushed with nitrogen for 15 minutes to remove most of the oxygen adsorbed on the ZnO surface. Toluene adsorption in the absence of oxygen was reduced to 0.8 μmol·m −2 , which supports the proposed toluene adsorption mechanism.

N@SSM의 흡착능은 m-C3N4의 부착 후에 강화되었는데(도 7a), 77%의 증가는 C3N4 내 트리아진 고리때문으로 판단되는 바, 이는 톨루엔과 유사하고 NiMoO4보다 양호한 흡착 사이트를 제공한다. 에어 포켓은 NiMoO4를 이용하여 Z@SSM를 피복한 후에 형성되었다. 에어 포켓의 존재는 ZN@SSM 및 ZNC@SSM에 의한 톨루엔 흡착이 실질적으로 증가한 점에 의하여 확인된다. ZN@SSM 및 ZNC@SSM의 폐포 구조 각각은 4.4 μmol·m-2 및 6.1 μmol·m-2의 톨루엔을 흡착하였다. 촉매로의 개선된 톨루엔 흡착의 2 단계 메커니즘을 도 7b에 나타내었다. The adsorption capacity of N@SSM was enhanced after attachment of mC 3 N 4 (Fig. 7a), and the increase of 77% was judged to be due to the triazine ring in C 3 N 4 , which is similar to toluene and better than NiMoO 4 adsorption site. provides Air pockets were formed after coating Z@SSM with NiMoO 4 . The presence of air pockets is confirmed by the substantial increase in toluene adsorption by ZN@SSM and ZNC@SSM. The alveolar structures of ZN@SSM and ZNC@SSM adsorbed 4.4 μmol·m -2 and 6.1 μmol·m -2 of toluene, respectively. The two-step mechanism of the improved toluene adsorption to the catalyst is shown in Figure 7b.

톨루엔은 높은 ZnO 친화성으로 인하여 초기에 에어 포켓 내부에 흡착된 다음, 농도 구배가 높은 농도 영역(에어 포켓 외측)으로부터 낮은 농도 영역(에어 포켓 내부)로 확산되도록 유도한다. 순간적인 확산은 에어 포켓 내부의 최대 공간이 톨루엔 분자로 채워질 때까지 지속된다. Toluene is initially adsorbed inside the air pocket due to its high ZnO affinity, and then induces a concentration gradient to diffuse from the high concentration region (outside the air pocket) to the low concentration region (inside the air pocket). The instantaneous diffusion continues until the maximum space inside the air pocket is filled with toluene molecules.

도 7a를 참조하면, ZN@SSM 및 ZNC@SSM 촉매로의 흡착 속도에 있어서 굴절 포인트가 관찰되었는데, 이는 에어 포켓 내 최대 공간 충진 지점을 지시한다. 상기 포인트 이후, 흡착 메커니즘은 제2 상으로 전환되고, 분자는 촉매의 외측 표면 상에 흡착된다(도 7b). 촉매로의 흡착 속도에 있어서 제2 기울기는 외측 표면 상에서 지속적인 흡착이 일어나기 때문이다. 유사한 경향이 톨루엔 탈착에서도 관찰된다(도 7c). ZN@SSM 및 ZNC@SSM는 2단계 탈착 반응속도를 나타내었다. 초기 단계의 작은 아크(arc) 및 후속 단계의 큰 아크는 각각 에어 포켓의 외측 표면 및 내측 표면으로부터의 톨루엔 탈착에 해당된다(도 7d). 2단계 흡착은 ZN@SSM 및 ZNC@SSM에서만 적용되는 반면, 다른 촉매는 단일 기울기 및 곡선을 나타내었다. 완만한 탈착 속도는 촉매 표면을 피독함이 없이 톨루엔이 광분해되도록 할 수 있다. 전체적으로, 흡착 경향은 촉매 내 에어 포켓의 존재를 뒷받침하며, 임의의 흡착제를 사용하지 않고도 공기로부터 톨루엔 분자를 흡착할 수 있음을 의미한다.Referring to FIG. 7A , a point of refraction was observed for adsorption rates with the ZN@SSM and ZNC@SSM catalysts, indicating the point of maximum space filling in the air pocket. After this point, the adsorption mechanism switches to the second phase, and the molecules are adsorbed on the outer surface of the catalyst (Fig. 7b). The second slope in the rate of adsorption to the catalyst is due to continued adsorption on the outer surface. A similar trend is observed for toluene desorption (Fig. 7c). ZN@SSM and ZNC@SSM showed two-step desorption kinetics. The small arc in the initial stage and the large arc in the subsequent stage correspond to toluene desorption from the outer and inner surfaces of the air pockets, respectively (Fig. 7d). Two-step adsorption was only applicable for ZN@SSM and ZNC@SSM, whereas the other catalysts showed a single slope and curve. A gentle desorption rate allows the toluene to be photolysed without poisoning the catalyst surface. Overall, the adsorption tendency supports the presence of air pockets in the catalyst, meaning that toluene molecules can be adsorbed from air without the use of any adsorbent.

도 8에 도시된 바와 같이, 밀폐된 Pyrex 글라스 반응기 내에서 톨루엔의 광촉매 전환 반응을 수행하였다. 상기 도면에서, 반응 장치는 글라스 반응기(1), 알루미늄 백(2), 온도계(3), UV 램프(4), 광 촉매 필터(5), 샘플링 포트(6) 및 테플론-코팅된 스탠드(7)를 포함하도록 구성된다. As shown in FIG. 8, a photocatalytic conversion reaction of toluene was performed in a sealed Pyrex glass reactor. In the figure, the reaction apparatus consists of a glass reactor (1), an aluminum bag (2), a thermometer (3), a UV lamp (4), a photocatalytic filter (5), a sampling port (6) and a Teflon-coated stand (7). ) is configured to include

톨루엔 분자의 자기-분해를 평가하기 위하여 광의 존재 또는 광의 부존재 하에서 블랭크 테스트를 수행하였다. 블랭크 테스트에서 톨루엔 농도에 대한 영향이 거의 없다는 점은 가스 상 실험용 글라스 반응기의 완결성을 뒷받침한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 촉매가 장착되기 전까지는 SSM은 비활성을 나타내었다. A blank test was performed in the presence or absence of light to evaluate the self-decomposition of toluene molecules. The little effect on toluene concentration in the blank test supports the integrity of the glass reactor for gas phase experiments. As shown in FIG. 9A , SSM exhibited inactivity until the catalyst was mounted.

Z@SSM 및 N@SSM의 경우, 120분 후에 15% 및 8%의 톨루엔이 각각 분해되었다. Z@SSM을 이용하여 보다 많은 량의 톨루엔을 분해시키는 점은 선택도 및 N@SSM 대비 보다 높은 흡수능때문일 수 있다. NC@SSM에서 톨루엔 분해율이 다소 개선되었다. 이는 NiMoO4 및 m-C3N4 사이의 적당한 밴드 엣지 정렬(alignment) 때문이다(도 6h). ZN@SSM 및 ZNC@SSM는 동일 조건 하에서 톨루엔 분해율은 현저히 증가하였다. 이러한 성능 개선은 신규의 촉매의 질량 전달로부터 기인한 것이다. 종래 광촉매 산화 시스템의 경우, 흡착이 촉매 표면의 블로킹을 수반하기 때문에 제한적이었다. 본 실시예의 경우, 촉매의 피독 현상은 흡착 사이트(에어 포켓 내부) 및 촉매 활성 사이트(NiMoO4/m-C3N4 층)의 공간적 분리에 의하여 억제될 수 있다. 폐포와 유사한 구조의 장점은 VOC의 유입 농도(40 μmol·m-3, 2000 μmol·m-3, 4000 μmol·m-3, 8000 μmol·m-3, 및 12000 μmol·m-3)에 대한 촉매의 민감도를 분석함으로써 추가적으로 분석 가능하다. 반면, Z@SSM, N@SSM, 및 NC@SSM은 40 μmol·m-3의 톨루엔 농도에서 흡착/촉매 활성을 거의 나타내지 않았다(도 10).For Z@SSM and N@SSM, 15% and 8% of toluene was decomposed after 120 minutes, respectively. The fact that a higher amount of toluene is decomposed using Z@SSM may be due to the selectivity and higher absorption capacity compared to N@SSM. The toluene decomposition rate was slightly improved in NC@SSM. This is due to the proper band edge alignment between NiMoO 4 and mC 3 N 4 ( FIG. 6h ). ZN@SSM and ZNC@SSM significantly increased the decomposition rate of toluene under the same conditions. This performance improvement results from the mass transfer of the novel catalyst. In the case of the conventional photocatalytic oxidation system, the adsorption was limited because it entailed blocking of the catalyst surface. In this embodiment, the poisoning of the catalyst can be suppressed by spatial separation of the adsorption site (inside the air pocket) and the catalytically active site (NiMoO 4 /mC 3 N 4 layer). The advantage of the alveolar-like structure is that the influx of VOCs (40 μmol m -3 , 2000 μmol m -3 , 4000 μmol m -3 , 8000 μmol m -3 , and 12000 μmol m -3 ) It can be further analyzed by analyzing the sensitivity of the catalyst. On the other hand, Z@SSM, N@SSM, and NC@SSM showed little adsorption/catalytic activity at a toluene concentration of 40 μmol·m −3 ( FIG. 10 ).

이러한 비활성화는 촉매가 톨루엔 분자와 적절히 상호작용하지 못했기 때문이다. Z@SSM, N@SSM, 및 NC@SSM에 의한 촉매분해 반응은 2000 μmol·m-3 및 4000 μmol·m-3의 톨루엔 농도에서 흡착 증가에 의하여 개선되었다(도 10b 및 도 10c). 4000 μmol·m-3 이후, 비-폐포 구조를 갖는 촉매의 분해 성능은 정체되었다(도 10d 및 도 10e). 8000 μmol·m-3 및 12000 μmol·m-3에서의 흡착 우세는 톨루엔의 흡착 제거에 대한 촉매 반응 제거의 비(C/A 비)가 감소하는 점으로부터 명백하다(하기 표 3 참조).This deactivation was due to the catalyst not properly interacting with the toluene molecules. The catalytic decomposition reaction by Z@SSM, N@SSM, and NC@SSM was improved by increasing adsorption at toluene concentrations of 2000 μmol·m −3 and 4000 μmol·m −3 ( FIGS. 10b and 10c ). After 4000 μmol·m −3 , the decomposition performance of the catalyst with a non-alveolar structure was stagnant ( FIGS. 10d and 10e ). The adsorption predominance at 8000 μmol·m −3 and 12000 μmol·m −3 is evident from the decrease in the ratio (C/A ratio) of catalytic removal to adsorption removal of toluene (see Table 3 below).

촉매catalyst 톨루엔 유입 농도 (mol3)Toluene inlet concentration (mol 3 ) 4040 20002000 40004000 80008000 1200012000 SSMSSM 0.00.0 1.61.6 2.52.5 1.51.5 1.11.1 Z@SSMZ@SSM 2.42.4 3.03.0 5.45.4 4.44.4 3.63.6 N@SSMN@SSM 0.00.0 4.04.0 6.06.0 4.34.3 3.43.4 NC@SSMNC@SSM 4.04.0 6.56.5 7.87.8 6.46.4 5.05.0 ZN@SSMZN@SSM 9.09.0 9.79.7 10.710.7 10.310.3 9.99.9 ZNC@SSMZNC@SSM 9.29.2 9.79.7 10.610.6 10.510.5 9.89.8

비-폐포 구조를 갖는 촉매와 달리, ZN@SSM 및 ZNC@SSM는 톨루엔 유입 농도와 관계없이 안정적인 분해 성능을 나타내었다(도 10a 내지 도 10e). 폐포 구조를 갖는 촉매의 C/A 비는 촉매에 의한 분해 반응이 톨루엔 농도 변화에 의하여 영향받지 않음을 시사한다. 고농도에서, 촉매 활성점 상의 오염물의 질량 부하는 에어 포켓 내부에 분자를 우선적으로 저장함으로써 감소되는 한편, 저농도에서는 폐포 구조의 촉매가 톨루엔 분자를 물리적으로 포획하고, 저장조로 기능하여 반응 사이트로 지속적인 공급이 이루어지도록 한다. 이러한 신규 개념의 분자 포집 방식은 종래의 촉매에 비하여 우수한 분해 성능을 제공할 수 있다. 톨루엔의 흡착 및 광분해 반응 결과를 하기 표 4에 정리하였다.Unlike catalysts having a non-alveolar structure, ZN@SSM and ZNC@SSM showed stable decomposition performance irrespective of the toluene input concentration ( FIGS. 10a to 10e ). The C/A ratio of the catalyst having an alveolar structure suggests that the decomposition reaction by the catalyst is not affected by the toluene concentration change. At high concentrations, the mass load of contaminants on the catalytically active site is reduced by preferentially storing molecules inside air pockets, while at low concentrations, the alveolar-structured catalyst physically traps toluene molecules and functions as a reservoir for continuous supply to the reaction site. make this happen This novel concept of molecular trapping method can provide superior decomposition performance compared to conventional catalysts. The results of the toluene adsorption and photolysis reaction are summarized in Table 4 below.

촉매catalyst 톨루엔 흡착
(μmol·m-2)
Toluene adsorption
(μmol·m -2 )
톨루엔 분해율
(%)
toluene decomposition rate
(%)
분해 속도
(μmol· h-1·m-2)
decomposition rate
(μmol h -1 m -2 )
SSMSSM 0.60.6 2.22.2 0.80.8 Z@SSMZ@SSM 1.91.9 1515 5.25.2 N@SSMN@SSM 0.90.9 88 2.72.7 NC@SSMNC@SSM 1.61.6 1919 6.56.5 ZN@SSMZN@SSM 4.44.4 6868 23.223.2 ZNC@SSMZNC@SSM 6.16.1 9595 32.732.7

C3N4 개질이 톨루엔 분해에 미치는 영향을 분석하였다(도 9b). 고유의 C3N4는 응집되었고, 꽃잎 형상의 NiMoO4와는 조각난 접촉을 형성하였다(도 9d). 결국, 낮은 흡착 및 비효율적인 전하 캐리어 전달에 의하여 톨루엔 분해율은 81%이었다. C3N4의 과립형 구조는 고온 알칼리 처리 후에는 얇은 시트로 전화되었다. 0.1 M NaOH로 처리된 m-C3N4는 꽃잎 형상의 NiMoO4를 둘러쌌으며(도 9e), 가장 높은 톨루엔 분해율(95%)을 나타내는 균일한 다공성 구조를 형성하였다. 0.2 M NaOH로 처리한 경우, m-C3N4는 과도하게 정제되어 NiMoO4 층을 블로킹하였고(도 9f), 톨루엔 분해율은 74%까지 감소하였다. The effect of C 3 N 4 modification on toluene decomposition was analyzed (FIG. 9b). Intrinsic C 3 N 4 aggregated and formed fragmented contacts with petal-shaped NiMoO 4 ( FIG. 9d ). As a result, the toluene decomposition rate was 81% due to low adsorption and inefficient charge carrier transport. The granular structure of C 3 N 4 was converted into a thin sheet after high-temperature alkali treatment. mC 3 N 4 treated with 0.1 M NaOH surrounded the petal-shaped NiMoO 4 ( FIG. 9e ), and formed a uniform porous structure showing the highest toluene decomposition rate (95%). When treated with 0.2 M NaOH, mC 3 N 4 was excessively purified and blocked the NiMoO 4 layer ( FIG. 9f ), and the toluene decomposition rate was reduced to 74%.

NiMoO4 층의 두께가 톨루엔 분해율에 미치는 영향을 분석하였다(도 11). NiMoO4 층은 1회, 2회 및 3회의 부착 사이클을 이용하여 제조되었고, 각각 0.2 내지 0.3 μm, 0.5 내지 0.6 μm, 및 0.9 내지 1.0 μm의 층 두께를 형성하였다(도 11a 내지 도 11c). NiMoO4 층의 두께는 톨루엔 분해율에 중대한 영향을 미쳤는 바, 이는 NiMoO4 층을 가로지르는 분자 확산에 의하여 설명될 수 있다. 단일 부착 사이클의 경우, NiMoO4 층은 에어 포켓 내부로 톨루엔 분자를 포획하는데 충분하지 않았다(도 11d). NiMoO4 층을 가로지르는 높은 확산 하에서 81%의 톨루엔 분해율이 얻어졌다. 최적의 두께는 2회의 부착 사이클에서 달성되었는 바, 에어 포켓으로부터의 분자의 유입 및 유출 간 균형을 유지하는 균일한 다공성 구조를 형성하였기 때문이다. NiMoO4 층은 3회 부착 사이클 후에는 조밀 또는 밀집된 상태에 있게 된다. 도 10f에 도시된 바와 같이, 분자 확산은 복합한 NiMoO4 구조에 의하여 방해받고, 이는 분해 성능을 71%까지 감소시킨다.The effect of the thickness of the NiMoO 4 layer on the toluene decomposition rate was analyzed (FIG. 11). NiMoO 4 layers were prepared using 1, 2 and 3 adhesion cycles, forming layer thicknesses of 0.2-0.3 μm, 0.5-0.6 μm, and 0.9-1.0 μm, respectively ( FIGS. 11A-11C ). The thickness of the NiMoO 4 layer had a significant effect on the toluene decomposition rate, which could be explained by molecular diffusion across the NiMoO 4 layer. For a single attachment cycle, the NiMoO 4 layer was not sufficient to trap the toluene molecules inside the air pockets (Fig. 11d). A toluene decomposition rate of 81% was obtained under high diffusion across the NiMoO 4 layer. The optimal thickness was achieved in two attachment cycles because it formed a uniform porous structure that balances the inflow and outflow of molecules from the air pockets. The NiMoO 4 layer is in a dense or dense state after 3 adhesion cycles. As shown in Fig. 10f, molecular diffusion is hindered by the complex NiMoO 4 structure, which reduces the decomposition performance by 71%.

도 12a는 온도가 톨루엔 분해에 미치는 영향을 보여준다. 촉매 반응 실험에서, 온도는 연속적인 공기 흐름에 의하여 램프 자켓을 냉각시킴으로써 조절하였고, 온도를 26 ± 0.5 ℃로 제한하였다.12A shows the effect of temperature on toluene decomposition. In the catalytic reaction experiments, the temperature was controlled by cooling the lamp jacket by a continuous air flow, and the temperature was limited to 26 ± 0.5 °C.

온도 영향을 분석하기 위하여, 공기 흐름을 중단하였고, 반응기가 조사 하에서의 실제 온도(true temperature)를 얻도록 하였다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 온도는 초기 60분 후에 급격히 증가하였고, 31 0.5 ℃에서 평형을 달성하였다.To analyze the temperature effect, the air flow was stopped and the reactor was allowed to attain the true temperature under irradiation. As shown in Fig. 12a, the temperature increased rapidly after the initial 60 min, and equilibrium was achieved at 31 0.5 °C.

반응기 내부의 온도 상승은 분자의 운동학적 에너지를 촉진하여 흡착 사이트 및 촉매 활성 사이트와의 상호작용에 영향을 미친다. 이러한 불리한 효과는 반응 속도 및 ZNC@SSM에 의한 톨루엔 분해 반응에 반영된다. 회분식 반응기 내에서, 온도 증가에 따른 성능 감소는 연속 흐름 반응기에서 감소될 수 있는데, 이는 반응기를 통과하는 공기 흐름의 냉각 효과 때문이다. 이와 관련하여, ZNC@SSM는 연속 흐름 반응기 내에서는 온도 조절없이도 작동할 수 있는 것으로 판단되는데, 이는 온화한 냉각용 공기 흐름을 요구하기 때문이다. The temperature rise inside the reactor promotes the kinetic energy of molecules, which affects the interaction between the adsorption site and the catalytically active site. These adverse effects are reflected in the reaction rate and the toluene decomposition reaction by ZNC@SSM. In batch reactors, the performance decrease with increasing temperature can be reduced in continuous flow reactors because of the cooling effect of the air flow through the reactor. In this regard, it is believed that the ZNC@SSM can operate without temperature control in a continuous flow reactor, as it requires a gentle cooling airflow.

광 촉매 산화반응 시스템에 있어서, 상대 습도(RH)는 ROS 생성 및 타겟 VOC의 분해 경로에 영향을 미침으로써 분해 성능을 변화시킬 수 있다. 이러한 영향을 평가하기 위하여, 5가지 RH 레벨에서의 톨루엔 분해 실험을 수행하였다(12b). 낮은 RH(20% 및 30%)에서, 톨루엔 분해율은 각각 73% 및 84%이었다. 낮은 RH에서의 열악한 성능은 촉매층 상에 흡수된 수분의 량이 감소됨에 따라 보다 늦은 하이드록시 라디컬이 생성되는 것과 관련성이 있다. 보다 높은 RH 레벨, 즉 50% 및 60%에서, 수분과 톨루엔 분자 간의 경쟁적인 흡착으로 인하여 톨루엔 분해율은 감소하였다. 흡착과 ROS 생성 간의 균형은 40% RH에서 달성되었는 바, 이는 선택된 RH 레벨 중 가장 좋은 결과이었다. In a photocatalytic oxidation reaction system, relative humidity (RH) can change the decomposition performance by influencing the ROS generation and decomposition pathways of the target VOC. To evaluate this effect, toluene decomposition experiments at five RH levels were performed (12b). At low RH (20% and 30%), the toluene decomposition rates were 73% and 84%, respectively. The poor performance at low RH is related to the slower generation of hydroxyl radicals as the amount of moisture absorbed on the catalyst layer is reduced. At higher RH levels, ie, 50% and 60%, the toluene decomposition rate decreased due to competitive adsorption between moisture and toluene molecules. A balance between adsorption and ROS generation was achieved at 40% RH, which was the best result of the selected RH levels.

ROS 생성 및 이의 촉매 반응에서의 상대적 참여 정도를 소거(scavenging) 실험에 의하여 분석하였다. DMSO, 벤조퀴논(BQ), 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA), TBA 및 아지드화 나트륨(NaN3)을 사용하여 전자, 수퍼옥사이드 라디칼(·O2 -) 정공, 하이드록시 라디칼(·OH) 및 일중항 산소(singlet oxygen; 1O2) 각각을 소거하였다. 도 12c는 본 실시예에서 소거제가 촉매의 분해 성능에 미치는 규준화된 영향을 보여준다. DMSO, BQ, EDTA, 및 TBA는 Z@SSM에 의한 톨루엔 분해를 억제하였는 바, 이는 촉매 표면 상에 전자, 하이드록시 라디칼(·OH), 정공 및 ·O2-가 각각 존재함을 지시한다.ROS generation and its relative participation in catalysis were analyzed by scavenging experiments. Using DMSO, benzoquinone (BQ), ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA), TBA and sodium azide (NaN 3 ), electrons, superoxide radicals (·O 2 ) holes, hydroxy radicals (·OH) and Each of singlet oxygen ( 1 O 2 ) was removed. 12C shows the normalized effect of the scavenger on the decomposition performance of the catalyst in this example. DMSO, BQ, EDTA, and TBA inhibited toluene decomposition by Z@SSM, indicating that electrons, hydroxy radicals (.OH), holes and .O 2 - exist on the catalyst surface, respectively.

N@SSM 및 ZN@SSM에 있어서, 가전자대(VB)에서의 히드록시 라디컬이 주된 반응 활성 종인 반면, ·O2 - 라디칼은 분해 활성에 적은 영향을 미쳤다. N@SSM 및 ZN@SSM 내 VB/CB와 관련된 ROS의 불균형된 역할은 NiMoO4 내 CB의 환원 전위가 더 낮기 때문이다. ZN@SSM에 있어서, ZnO 나노로드는 NiMoO4 층으로 피복되어 있으며, 이는 ZnO의 CB에서의 ·O2 - 라디칼 생성을 억제하였다. ZNC@SSM에 있어서는 ·OH 라디칼 및 ·O2 - 라디칼이 톨루엔 분해에 관여하였다. ·O2 - 종은 ZN@SSM에 비하여 ZNC@SSM에서 많은 기여를 하였다. ·O2 - 라디칼은 m-C3N4의 CB에서 값싸게 생성되는 반면, ZnO는 촉매 반응에 있어서 상대적으로 수동적이었다(도 12d). 개별 촉매의 경우, 전자 소거제에 의한 분해 억제는 ·O2 - 소거제에 의한 분해 억제와 매우 유사하였으며, 이는 ·O2 - 라디칼이 광여기된 전자에 의하여 주로 생성되었음을 시사한다.In N@SSM and ZN@SSM, hydroxy radicals in the valence band (VB) were the main reactive active species, whereas ·O 2 radicals had little effect on the decomposition activity. The unbalanced role of ROS associated with VB/CB in N@SSM and ZN@SSM is due to the lower reduction potential of CB in NiMoO 4 . In the ZN@SSM, the ZnO nanorods were coated with a layer of NiMoO 4 , which suppressed the generation of ·O 2 − radicals in the CB of ZnO. In ZNC@SSM, the -OH radical and the -O 2 - radical were involved in toluene decomposition. ·O 2 - The species contributed more in ZNC@SSM than in ZN@SSM. ·O 2 radicals are cheaply generated in the CB of mC 3 N 4 , whereas ZnO was relatively passive in the catalytic reaction ( FIG. 12d ). For the individual catalysts, the inhibition of decomposition by the electron scavenger was very similar to the inhibition of the decomposition by the ·O 2 - scavenger, suggesting that the ·O 2 - radical was mainly generated by photoexcited electrons.

도 12c에 있어서, 정공 소거제에 의한 분해 억제는 ·OH 소거제의 분해 억제와는 일치하지 않았다. 이는 ·OH 이외의 약간의 반응 종 역시 촉매의 VB에서 생성되었음을 지시한다. 이러한 불일치를 분석하기 위하여, 1O2 소거제를 사용하였고, 톨루엔 분해의 감소가 확인되었다. 이와 관련하여, 약간의 ·O2 - 라디칼이 1O2 종으로 산화되었고, 이는 정공 및 ·OH 소거제에 의한 분해 억제 간의 차이점을 설명한다. ZNC@SSM 에어 필터의 재사용 잠재력은 톨루엔 분해 실험을 반복하여 평가하였다. 각각의 분해 실험을 수행한 후, ZNC@SSM를 탈이온수(40 ℃, 30 min)에 함침시켰고, 건조하였으며, 그리고 다음 실험에서 재사용하였다. ZNC@SSM 필터는 재사용 테스트 과정에서 우수한 촉매 성능을 유지하였고, 10회 사이클 이후에도 90%를 초과하는 톨루엔 분해율을 유지하였다(도 13). In FIG. 12C , the inhibition of decomposition by the hole scavenger did not coincide with the inhibition of decomposition by the OH scavenger. This indicates that some reactive species other than ·OH were also generated at VB of the catalyst. To analyze this discrepancy, a 1 O 2 scavenger was used and a reduction in toluene decomposition was observed. In this regard, some ·O 2 radicals were oxidized to 1 O 2 species, which explains the difference between inhibition of decomposition by hole and ·OH scavengers. The reusability potential of the ZNC@SSM air filter was evaluated through repeated toluene decomposition experiments. After each decomposition experiment, ZNC@SSM was immersed in deionized water (40 °C, 30 min), dried, and reused in the next experiment. The ZNC@SSM filter maintained excellent catalytic performance during the reuse test process, and maintained a toluene decomposition rate of more than 90% even after 10 cycles (FIG. 13).

도 14에 있어서, SEM 결과는 세척 및 사이클 분해 테스트를 수행한 후에 촉매 필름의 완결성을 뒷받침하였다. 미미한 피크 변화가 있었으나, 테스트 전후에서ZNC@SSM의 XRD 및 XPS 스펙트럼은 거의 동일하였다(도 14b 내지 도 14f). 전체적으로, 광촉매 성능 및 특성화 결과는 ZNC@SSM 필터가 세척에 대하여 내구성이 있고, VOC 분해에 대한 우수한 재사용 잠재력을 갖고 있음을 시사한다.In FIG. 14 , the SEM results supported the integrity of the catalyst film after washing and cycle decomposition tests were performed. Although there was a slight peak change, the XRD and XPS spectra of ZNC@SSM before and after the test were almost identical ( FIGS. 14b to 14f ). Overall, the photocatalytic performance and characterization results suggest that the ZNC@SSM filter is durable against washing and has good reuse potential for VOC degradation.

낮은 상대 습도(20%) 및 높은 상대 습도(40%) 조건에서의 톨루엔 분해 경로를 분석하였다. 20% RH에서 톨루엔 분해는 ·O2 - 라디칼의 공격에 의하여 진행되었으며, 이는 주된 분해 경로임을 지시한다(도 15). 먼저, 톨루엔 고리 내 2중 결합이 분해된 후에 수소가 첨가되어 1-시클로헥센-1-카르복시알데히드를 형성하였다. 제2 단계에서, 벤조산이 확인되었는 바, 이는 제3 단계에서 부타디엔 및 아세톤의 혼합물로 전환되었다. 20분 경과 후, 짧은 사슬의 카르복시산이 형성되었고, 이는 최종 단계에서 이산화탄소로 전환되었다. 40% RH에서, 촉매 표면에 흡착된 수분이 ·OH 라디칼을 생성하였고, 이는 톨루엔으로부터 직접 벤조산을 형성하였다. 제2 단계에서, 아세트산 및 포름산의 혼합물이 반응 내부에서 검출되었는데, 이는 제3 단계에서 이산화탄소로 전환되었다. 톨루엔 분해의 산화적 경로는 택일적인 환원 루트에 비하여 훨씬 빨랐다. 환원 루트의 제2 단계 및 제4 단계에서의 중간체는 산화적 분해 반응 과정에서는 형성되지 않았다. 보다 짧은 분해 경로는 보다 높은 RH 조건에서 보다 양호한 촉매 성능을 유도하는 것으로 판단된다. Toluene decomposition pathways under low relative humidity (20%) and high relative humidity (40%) conditions were analyzed. At 20% RH, toluene decomposition proceeded by attack of the ·O 2 - radical, indicating that it is the main decomposition pathway ( FIG. 15 ). First, after cleavage of the double bond in the toluene ring, hydrogen was added to form 1-cyclohexene-1-carboxyaldehyde. In the second step, benzoic acid was identified, which was converted to a mixture of butadiene and acetone in the third step. After 20 minutes, a short chain carboxylic acid was formed, which was converted to carbon dioxide in the final step. At 40% RH, moisture adsorbed to the catalyst surface generated .OH radicals, which formed benzoic acid directly from toluene. In the second step, a mixture of acetic acid and formic acid was detected inside the reaction, which was converted to carbon dioxide in the third step. The oxidative route of toluene decomposition was much faster than the alternative reduction route. The intermediates in the second and fourth steps of the reduction route were not formed in the course of the oxidative decomposition reaction. It is believed that a shorter cracking path leads to better catalytic performance at higher RH conditions.

광촉매 프로세스의 겉보기 양자수율(AQY)을 산출하여 톨루엔 분자의 분해에 요구되는 광자(photon) 플럭스를 결정하였으며, 하기 표 5에 나타내었다.The photon flux required for the decomposition of toluene molecules was determined by calculating the apparent quantum yield (AQY) of the photocatalytic process, and is shown in Table 5 below.

광촉매
photocatalyst
VOC
VOCs
광소스
light source
에너지 소비량
(Wh)
energy consumption
(Wh)
필터 사이즈
(m2)
filter size
(m 2 )
전환 VOC
(umole)
Conversion VOC
(umole)
AQY
AQY
FOM
FOM
TiO2 TiO 2 벤젠benzene UVUV 12001200 0.0030.003 2.42.4 8.51×10-08 8.51×10 -08 1.61.6 N2 도핑TiO2 N 2 doped TiO 2 벤젠benzene UVUV 12001200 0.0030.003 23.523.5 1.18×10-06 1.18×10 -06 15.715.7 Bi2O2CO3 Bi 2 O 2 CO 3 톨루엔toluene VisVis 600600 0.0660.066 12.312.3 1.25×10-06 1.25×10 -06 0.40.4 CuS/Bi2O2CO3 CuS/Bi 2 O 2 CO 3 톨루엔toluene VisVis 600600 0.0660.066 18.618.6 1.86×10-06 1.86×10 -06 0.60.6 CdS/Bi2O2CO3 CdS/Bi 2 O 2 CO 3 톨루엔toluene VisVis 600600 0.0660.066 2222 2.18×10-06 2.18×10 -06 0.70.7 CuS/CdSBi2O2CO3 CuS/CdSBi 2 O 2 CO 3 톨루엔toluene VisVis 600600 0.0660.066 39.839.8 4.60×10-06 4.60×10 -06 1.21.2 Fe/TiO2 Fe/TiO 2 톨루엔toluene UVUV 2020 0.0070.007 0.80.8 9.98×10-06 9.98×10 -06 19.419.4 PVP 개질TiO2 PVP Modified TiO 2 아세톤acetone UVUV 208208 0.0070.007 8.38.3 4.42×10-06 4.42×10 -06 2.42.4 PVP 개질TiO2 PVP Modified TiO 2 벤젠benzene UVUV 916916 0.0070.007 1.81.8 2.96×10-07 2.96×10 -07 0.120.12 TiO2 TiO 2 벤젠benzene UVUV 500500 0.0110.011 5.25.2 2.20×10-06 2.20×10 -06 5.95.9 ZNC@SSMZNC@SSM 톨루엔toluene UVUV 1212 0.1130.113 2222 4.14×10-05 4.14×10 -05 30.830.8

상기 표에 따르면, ZNC@SSM의 AQY는 앞서 보고된 PCO 시스템에 비하여 10배 더 양호하였다. AQY의 대비는 촉매 성능에 기초한 물질을 구별하는데 유용하다. 그러나, AQY 단독으로는 PCO 시스템의 선택에 대한 절대적인 기준으로 고려될 수는 없다. FOM(figure of merit)는 중요한 운전 파라미터를 반용하는 바, 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.According to the table above, the AQY of ZNC@SSM was 10 times better than that of the previously reported PCO system. The contrast of AQY is useful for distinguishing materials based on catalytic performance. However, AQY alone cannot be considered as an absolute criterion for the selection of a PCO system. A figure of merit (FOM) reflects an important operating parameter, and can be expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 표에 따르면, 종래에 보고된 촉매는 낮은 농도에서는 상당한 한계를 갖고 있다. 반면, ZNC@SSM는 균형잡힌 성능 특성으로 인하여 낮은 농도에서도 높은 촉매 활성을 나타내었다.According to the above table, the catalysts reported previously have significant limitations at low concentrations. On the other hand, ZNC@SSM showed high catalytic activity even at low concentration due to balanced performance characteristics.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be made clear by the appended claims.

Claims (19)

스트랜드 형태의 기재;
상기 스트랜드 형태의 기재의 길이 방향을 따라 이의 표면에 방사형으로 형성된 나노로드 어레이; 및
상기 나노로드 어레이 상에 형성된 다공성의 제1 광 촉매 층;
을 포함하며,
여기서, 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매층이 피복됨에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 형성하는 광 촉매 필터.
substrates in the form of strands;
a nanorod array radially formed on the surface of the strand-shaped substrate in the longitudinal direction; and
a porous first photocatalyst layer formed on the nanorod array;
includes,
Here, as the porous first photocatalytic layer is coated on the nanorod array, the photocatalytic filter forms a physical trapping structure in the form of an air pocket.
제1항에 있어서, 상기 다공성의 제1 광 촉매층은 1층 또는 2 이상의 층으로 이루어지며, 전체 두께는 200 내지 800 nm 범위인 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터. The photocatalytic filter according to claim 1, wherein the porous first photocatalyst layer consists of one or two or more layers, and the total thickness is in the range of 200 to 800 nm. 제2항에 있어서, 상기 다공성의 제1 광 촉매층이 2 이상의 층으로 이루어지는 경우, 개별 제1 광 촉매 층의 두께는 100 내지 300 nm 범위에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터. The photocatalytic filter according to claim 2, wherein when the porous first photocatalyst layer consists of two or more layers, the thickness of each first photocatalyst layer is set in the range of 100 to 300 nm. 제1항에 있어서, 상기 나노로드 어레이의 재질은, 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티타늄(TiO2), 산화코발트(Co3O4), 산화주석(SnO2), 산화니켈(NiO) 및 산화망간(MnO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터.According to claim 1, wherein the material of the nanorod array, zinc oxide (ZnO), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), cobalt oxide (Co 3 O 4 ), tin oxide (SnO 2 ), Nickel oxide (NiO) and manganese oxide (MnO 2 ) Photocatalytic filter, characterized in that at least one selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 다공성의 제1 광 촉매 층은 상기 다공성의 제1 광 촉매 층은 꽃입(flower petal) 형상의 박막 플레이트로 형성된 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터. The photocatalytic filter of claim 1, wherein the porous first photocatalyst layer is formed as a thin film plate having a flower petal shape. 제5항에 있어서, 상기 박막 플레이트는 6방 구조의(hexagonal) 박막 플레이트인 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터. The photocatalytic filter according to claim 5, wherein the thin-film plate is a hexagonal thin-film plate. 제1항에 있어서, 상기 다공성의 제1 광 촉매 층은 금속 몰리브데이트(MMoO4)(M은 VIII족 및 IB족 금속으로부터 선택됨), NiCo2O4, NiCo2S4, CdS, Bi2WO6, SnO2, ZrO2, Fe2O3, 및 WSe2로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터. The method of claim 1 , wherein the porous first photocatalyst layer comprises metal molybdate (MMoO 4 ) (M is selected from Group VIII and Group IB metals), NiCo 2 O 4 , NiCo 2 S 4 , CdS, Bi 2 WO 6 , SnO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , and WSe 2 Photocatalytic filter, characterized in that at least one selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, 상기 광 촉매 필터는 상기 다공성의 제1 광촉매 층에 피복된 박막 시트 형태의 제2 광촉매 층을 더 구비하며,
이때 상기 제2 광촉매 층은 질화탄소(C3N4), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 그래핀 산화물(graphene oxide), 탄소 양자점(carbon quantum dots), 염화은(AgCl), 브롬화은(AgBr), 셀레늄화아연(ZnSe), 산화세륨(CeO2), 및 황화카드뮴(CdS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터.
According to claim 1, wherein the photocatalytic filter further comprises a second photocatalyst layer in the form of a thin film sheet coated on the porous first photocatalyst layer,
At this time, the second photocatalyst layer is carbon nitride (C 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), graphene oxide, carbon quantum dots, silver chloride (AgCl), silver bromide (AgBr), zinc selenide (ZnSe), cerium oxide (CeO 2 ), and cadmium sulfide (CdS) photocatalytic filter comprising at least one selected from the group consisting of.
제8항에 있어서, 상기 제2 광촉매 층은 알칼리-개질된 질화탄소(C3N4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터. The photocatalytic filter of claim 8 , wherein the second photocatalytic layer comprises alkali-modified carbon nitride (C 3 N 4 ). 제1항에 있어서, 상기 나노로드 어레이를 구성하는 개별 나노로드의 사이즈(직경) 및 길이는 각각 50 내지 150 nm 및 400 내지 600 nm의 범위 내에서 정하여지고, 또한 개별 나노로드의 종횡 비는 4 내지 12 범위인 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터. The method according to claim 1, wherein the size (diameter) and length of the individual nanorods constituting the nanorod array are set within the ranges of 50 to 150 nm and 400 to 600 nm, respectively, and the aspect ratio of the individual nanorods is 4 A photocatalytic filter, characterized in that in the range of 12 to 12. 제1항에 있어서, 상기 스트랜드 형태의 기재는 스테인리스 스틸(SUS), 니켈 폼, 구리 폼, 글라스 및 알루미늄 포일로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재질이고, 그리고
상기 스트랜드 형태의 기재는 (i) 단일 스트랜드 형태의 기재, 또는 (ii) 메쉬(mesh) 구조물, 다공성 금속/비금속 폼 및 직포/부직포로 이루어진 군으로부터 선택되는, 복수의 스트랜드 형태의 기재가 조합된 구조물 형태인 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터.
The method of claim 1, wherein the strand-shaped substrate is at least one material selected from the group consisting of stainless steel (SUS), nickel foam, copper foam, glass, and aluminum foil, and
The substrate in the form of a strand is selected from the group consisting of (i) a substrate in the form of a single strand, or (ii) a mesh structure, a porous metal/non-metal foam, and a woven/non-woven fabric. A photocatalytic filter, characterized in that in the form of a structure.
a) 스트랜드 형태의 기재를 제공하는 단계;
b) 나노로드 형성용 전구체 용액을 상기 스트랜드 형태의 기재와 접촉시켜 이의 길이 방향을 따라 나노로드 어레이를 방사형으로 형성시키는 단계; 및
c) 광 촉매 전구체 용액을 나노로드 어레이와 접촉시켜 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매 층을 형성하는 단계;
를 포함하며,
여기서, 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매층이 피복됨에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 형성하는 광 촉매 필터의 제조 방법.
a) providing a substrate in the form of strands;
b) contacting the precursor solution for forming nanorods with the substrate in the form of a strand to radially form a nanorod array along the length direction thereof; and
c) contacting the photocatalyst precursor solution with the nanorod array to form a porous first photocatalyst layer on the nanorod array;
includes,
Here, a method of manufacturing a photocatalytic filter in which a porous first photocatalyst layer is coated on the nanorod array to form a physical trapping structure in the form of an air pocket.
제12항에 있어서, 상기 단계 b)는,
b1) 상기 스트랜드 형태의 기재 상에 상기 나노로드의 시드 층을 형성하는 단계; 및
b2) 상기 시드 층이 형성된 기재에 상기 나노로드 형성용 전구체 용액을 접촉시켜 수열 합성 반응을 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터의 제조 방법.
The method of claim 12, wherein step b) comprises:
b1) forming a seed layer of the nanorods on the strand-shaped substrate; and
b2) performing a hydrothermal synthesis reaction by contacting the precursor solution for forming the nanorods to the substrate on which the seed layer is formed;
A method of manufacturing a photocatalytic filter comprising a.
제12항에 있어서, d) 균일한 다공성 구조를 형성하기 위하여, 상기 다공성의 제1 광촉매 층 상에 박막 시트 형태의 제2 광촉매 층을 추가적으로 형성하며,
이때, 상기 제2 광촉매 층은 질화탄소(C3N4), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 그래핀 산화물(graphene oxide), 탄소 양자점(carbon quantum dots), 염화은(AgCl), 브롬화은(AgBr), 셀레늄화아연(ZnSe), 산화세륨(CeO2), 및 황화카드뮴(CdS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터의 제조 방법.
[13] The method of claim 12, wherein d) a second photocatalyst layer in the form of a thin film sheet is additionally formed on the porous first photocatalyst layer to form a uniform porous structure;
At this time, the second photocatalyst layer is carbon nitride (C 3 N 4 ), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), graphene oxide, carbon quantum dots (carbon quantum dots), silver chloride (AgCl), Silver bromide (AgBr), zinc selenide (ZnSe), cerium oxide (CeO 2 ), and cadmium sulfide (CdS) A method of manufacturing a photocatalytic filter comprising at least one selected from the group consisting of.
제12항에 있어서, 상기 단계 b) 중 상기 나노로드 형성용 전구체는 전이금속 산화물의 전구체로서 질산염, 황산염, 아세트산염, 포름산염, 할로겐화물, 수산화물, 이의 조합 또는 이의 수화물이고, 그리고
상기 나노로드 형성용 전구체 용액은 헥사메틸렌테트라아민, 에틸렌디아민, 암모니아, 폴리에틸렌이민, 우레아, 또는 이들의 조합을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터의 제조 방법.
The method according to claim 12, wherein the precursor for forming nanorods in step b) is nitrate, sulfate, acetate, formate, halide, hydroxide, a combination thereof, or a hydrate thereof as a precursor of a transition metal oxide, and
The method of manufacturing a photocatalytic filter, characterized in that the precursor solution for forming the nanorods further contains hexamethylenetetraamine, ethylenediamine, ammonia, polyethyleneimine, urea, or a combination thereof.
제12항에 있어서, 상기 단계 b) 중 나노로드 어레이는 상기 스트랜드 형태의 기재의 표면에 대하여 비등방성으로 성장하고, 이때 성장 방향은 기재 표면에 대하여 60 내지 120ㅀ 범위인 것을 특징으로 하는 광 촉매 필터의 제조 방법.The photocatalyst according to claim 12, wherein in step b), the nanorod array grows anisotropically with respect to the surface of the strand-shaped substrate, wherein the growth direction is in the range of 60 to 120° with respect to the surface of the substrate. A method of manufacturing a filter. 가스 상 매질 내 오염물의 제거 방법으로서,
광 촉매 필터를 제공하는 단계; 및
오염물이 함유된 가스를 자외선 조사 하에서 상기 광 촉매 필터와 접촉시켜 가스 상 매질 내 오염물을 산화 제거하는 단계를 포함하며,
여기서, 상기 광 촉매 필터는,
스트랜드 형태의 기재;
상기 스트랜드 형태의 기재의 길이 방향을 따라 이의 표면에 방사형으로 형성된 나노로드 어레이; 및
상기 나노로드 어레이 상에 형성된 다공성의 제1 광 촉매 층;
을 포함하며,
여기서, 상기 나노로드 어레이 상에 다공성의 제1 광 촉매층이 피복됨에 따라 에어 포켓 형태의 물리적 포획 구조를 형성하는 방법.
A method for removing contaminants in a gaseous medium comprising:
providing a photocatalytic filter; and
oxidizing and removing the contaminants in the gaseous medium by contacting the gas containing the contaminants with the photocatalytic filter under ultraviolet irradiation,
Here, the photocatalytic filter is
substrates in the form of strands;
a nanorod array radially formed on the surface of the strand-shaped substrate in the longitudinal direction; and
a porous first photocatalyst layer formed on the nanorod array;
includes,
Here, as the porous first photocatalyst layer is coated on the nanorod array, a method of forming a physical trapping structure in the form of an air pocket.
제17항에 있어서, 상기 오염물은 알데히드류 및 휘발성 유기화합물(VOC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이고, 그리고
상기 가스 상 매질 내 오염물의 농도는 5 내지 20000 μmol·m-3의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
18. The method of claim 17, wherein the contaminant is at least one selected from the group consisting of aldehydes and volatile organic compounds (VOCs), and
Method, characterized in that the concentration of contaminants in the gaseous medium is in the range of 5 to 20000 μmol·m -3 .
제17항에 있어서, 상기 가스 상 매질의 상대 습도는 적어도 15%이고, 그리고
상기 오염물을 산화 제거하는 단계는 20 내지 40℃ 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. The method of claim 17, wherein the relative humidity of the gaseous medium is at least 15%, and
The method of claim 1 , wherein the step of removing the contaminants by oxidation is performed in the range of 20 to 40°C.
KR1020200081086A 2020-07-01 2020-07-01 Photocatalytic Filters Having Physical Entrapment of Pollutants and Method for Purifying Gaseous Medium Using the Same KR102494685B1 (en)

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